Учебное пособие ОИБ. Аннотация дисциплины наименование дисциплины 4 глоссарий 5 Физические основы полупроводниковых приборов

• Название: Аннотация дисциплины наименование дисциплины 4 глоссарий 5 Физические основы полупроводниковых приборов
• Анкор: Учебное пособие ОИБ
• Дата: 15.01.2021
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: Elektronnoe_uchebnoe_posobie (1).docx
• Тип: Аннотация дисциплины; #168431
• страница: 3 из 5

1.9. Фототранзисторы, фототиристеры, оптроны.

Устройство, принцип действия
Фототранзисторами называются полупроводниковые приборы с трёхслойной структурой типа n-p-nили p-n-p с двумя запирающими p-n переходами при отключенной базе, освещаемой через окно в корпусе.

На рис. 1.38 изображена схема фототранзистора р-n-р структуры, поясняющая его устройство и принцип действия.


Рис. 1.38. Схема фототранзистора р-n-р структуры, поясняющая его устройство и принцип действия
Фототранзистор имеет два рабочих электрода эмиттер Э и коллектор К, через окно база Б управляется световым потоком Ф. В исходном положении (без освещения) для цепи, в которой фототранзистор ФТ питается через нагрузочное сопротивление от источника запирающий переход П1 открыт, а переход П2 закрыт. При освещении, под действием фотонов света, в базовой области образуются пары электрон-дырка носителей зарядов. Дырки, под действием внешнего источника , проходят через закрытый коллекторный n-p-переход П2, вызывая образование и увеличение фототока , пропорционально увеличению освещения базы. На рис. 1.39 изображены вольтамперные характеристики фототранзистора при Ф = Const.



Рис. 1.39. Вольтамперные характеристики фототранзистора р-n-р структуры при постоянных значениях световых потоков

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов большой чувствительностью.

Фототиристорами называются полупроводниковые приборы p1-n1-p2-n2 структуры с тремя запирающими переходами П1, П2, П3, двумя рабочими электродами анод А, катод К и, отключенным управляющим электродом УЭ. Управление фототиристором производится световым потоком Ф через окно области p2, расположенное в районе управляющего электрода.

На рис. 1.40 изображены структура тиристора и схема подключения его к источнику питания через нагрузку.



Рис. 1.40. Структура тиристора и схема подключения его к источнику

питания через нагрузку
Без светового потока Ф переход П2 закрыт. При освещении через окно в области p2 происходит фотогенерация носителей зарядов электрон-дырка. Из области n1 дырки переходят в областьp2 и далее через открытый переход П3 в область n2. При питании через нагрузку проходит фототок , который пропорционален падающему на фототиристор световому потоку Ф. Без освещения

фототиристор может быть использован как обычный тиристор.

По сравнению с фототранзисторами фототиристоры обладают высокой нагрузочной способностью при малой мощности светового сигнала, а также памятью и высоким быстродействием.

На рис. 1.41 изображены вольтамперные характеристики фототиристора при Ф = Const, которые показывают, что при увеличении светового потока Ф уменьшается напряжение переключения .



Рис. 1.41. Вольтамперные характеристики фототиристора при постоянных значениях световых потоков

Оптронами называются полупроводниковые приборы, содержащие источник излучения и приемник излучения, управляемый этим излучением.

На рис. 1.42 изображён оптрон, в котором в качестве источника излучения используется светодиод, а в качестве приёмника фототранзистор, объединённые в одной конструкции. Приёмником может быть фоторезистор, фотодиод, фототиристор. Оптрон может работать в качестве усилительного или переключающегося элемента. Преимущество оптрона – гальваническая развязка входной и выходной цепей.

На рис. 1.43 изображены вольтамперные характеристики оптрона при Ф = Const.



Рис. 1.42. Схема подключения оптрона к источникам питания



Рис. 1.43. Вольтамперные характеристики оптрона при постоянных значениях световых потоков светодиода
Контрольные вопросы по разделу 1

2. 
   Чем обусловлена электропроводность полупроводников?
   
3. 
   Какая связь между атомами присуща полупроводниковым материалам?
   
4. 
   Какие полупроводники обладают электронной электропроводностью, а какие дырочной?
   
5. 
   На чем основан принцип действия полупроводниковых диодов?
   
6. 
   Изобразить схему включения и вольтамперную характеристику диода.
   
7. 
   Классификация диодов по области применения.
   
8. 
   Назначение стабилитронов и их вольтамперная характеристика.
   
9. 
   Изобразить схему простейшего стабилизатора напряжения.
   
10. 
    Назначение, основные параметры и схема включения светодиодов.
    
11. 
    Назначение, схема подключения и принцип действия биполярного транзистора n-p-n структуры.
    
12. 
    Назначение, схема подключения и принцип действия биполярного транзистора p-n-p структуры.
    
13. 
    Основные разновид7ности схем включения биполярных транзисторов.
    
14. 
    Основные характеристики биполярных транзисторов и их особенности.
    
15. 
    Устройство, обозначение и принцип действия полевого транзистора с управляющим p - n переходом.
    
16. 
    Динисторы, тиристоры. Устройство, область применения и принцип действия.
    
17. 
    Вольтамперная характеристика динистора и ее особенности.
    
18. 
    Вольтамперная характеристика тиристора и ее особенности.
    
19. 
    Симисторы. Устройство, принцип действия, условное обозначение и вольтамперная характеристика.
    
20. 
    Фоторезисторы. Устройство, принцип действия и вольтамперные характеристики.
    
21. 
    Фотодиоды. Устройство, принцип действия, режимы работы и вольтамперные характеристики.
    
22. 
    Фототранзисторы. Устройство, принцип действия и вольтамперная характеристика.
    
23. 
    Фототиристеры. Устройство, принцип действия и вольтамперная характеристика..
    
24. 
    Оптроны. Устройство, принцип действия, режимы работы и вольтамперная характеристика.
    

2. Схемотехника аналоговой электроники
Цель раздела:

Изучение принципов построения и работы аналоговых электронных устройств и преобразователей
2.1. Однополупериодные выпрямители
Выпрямителями называются статические преобразователи переменного тока в постоянный ток. Схемы выпрямителей зависят от циклов выпрямления “m” (количества пульсаций за период Т). При однополупериодном выпрямлении m=1.

На рис. 2.1 изображена схема однополупериодного выпрямителя, построенного на одном диоде, а на рис. 4.2 показаны временные зависимости мгновенного напряжения на входе выпрямителя, а также мгновенных значений напряжения и тока на выходе выпрямителя. Из временных зависимостей видно, что в течение первого полупериода диод VD пропускает только прямое (положительное) мгновенное напряжение, задерживая величину обратного (отрицательного) значения напряжения на входе выпрямителя. При этом по цепи проходит пульсирующий ток .

Вольтметром электромагнитного типа измеряют действующее значение переменного напряжения .



Рис. 2.1. Схема однополупериодного выпрямителя



Рис. 2.2. Временные зависимости мгновенных напряжений и тока

Действующее значение переменного напряжения равно среднеквадратичному значению переменного напряжения за период Т,которое определяется из выражения:

, (2.1)

так как .

Таким образом, действующее значение синусоидального напряжения связано с амплитудным значением напряжения выражением . При этом амплитуды прямого и обратного значений мгновенного синусоидального напряжения равны, то есть .

Для измерения выпрямленных значений напряжения и тока применяются приборы магнитоэлектрического системы, которые показывают средние значения напряжения и тока .

Средними значениями однополупериодного выпрямителя считают его средние значения напряжения и тока за половину периода. Так, среднее значение напряжения определяют по выражению:

(2.2)

Аналогично определяют среднее значение тока:

. (2.3)

Выпрямители характеризуются постоянными составляющими напряжения и тока (средними значениями и ), переменными составляющими, коэффициентом пульсаций и частотой пульсаций.

Кроме постоянных составляющих и , однополупериодные выпрямители имеют переменные составляющие тока и напряжения , равные амплитудам первых гармоник переменного напряжения (тока) на нагрузке, представленных в виде импульсного напряжения (тока), разложенных в ряд Фурье.

Переменные составляющие напряжения и тока при этом определяется выражениями:

; . (2.4)

Коэффициент пульсаций выпрямителя определяется отношением переменных составляющих напряжения (тока) к их постоянным составляющим. При однополупериодном выпрямлении

, (2.5)

что является недостатком схемы.

Частота пульсаций выпрямителя определяется выражением:

. (2.6)

Для однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна 50 герц.
2.2. Двухполупериодные выпрямители
Двухполупериодные выпрямители подразделяются на выпрямители с нулевым выводом трансформатора (рис. 2.3) и на мостовые выпрямители (рис. 2.4).



Рис. 2.3. Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом

трансформатора



Рис. 2.4. Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Схемы представленных выпрямителей работают только при положительных потенциалах напряжений в точках а и б. Если в течение первого полупериода в точках а, будут положительные потенциалы, то в точках б – отрицательные. В этом случае токи нагрузок от точек с положительными потенциалами будут проходить в направлениях к точкам с отрицательными потенциалами через диоды VD1 (рис.8.3) и VD1,VD3 (рис. 2.4). Во второй полупериод в точках абудут отрицательные потенциалы, а в точках б – положительные. Тогда токи нагрузок пойдут через диоды VD2 (рис. 2.3) и VD2,VD4 (рис. 2.4). Следовательно, в первый и во второй полупериоды переменного тока через нагрузочные сопротивления схем проходят пульсирующие токи в одном положительном направлении.

На рис. 2.5 показаны временные зависимости мгновенных напряжений (для схемы рис. 2.3) и мгновенного напряжения (для схемы рис. 2.4) на входе выпрямителей, а также мгновенных значений напряжения и тока на выходе обоих выпрямителей.

При двухполупериодном выпрямлении цикл выпрямления m=2. Электромагнитные вольтметры, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов, покажут действующие значения напряжений . Для измерений выпрямленных значений напряжений и токов применяют приборы магнитоэлектрической системы, которые показывают средние значения пульсирующих напряжений и токов:

(2.7)


Рис. 2.5. Временные зависимости мгновенных напряжений и тока

двухполупериодных выпрямителей

Недостатком схемы выпрямителя с нулевым выводом трансформатора является величина обратного напряжения, действующего на диод: тогда как для схемы мостового выпрямителя величина обратного напряжения, действующего на каждый диод, равна амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:

Для определения коэффициента пульсации при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой: тогда переменная составляющая определяется как Частота пульсаций

=100 герц.
2.3. Электронные усилители на биполярных транзисторах
Усилители низкой частоты на биполярных транзисторах имеют предварительные и выходные каскады усиления.

Рассмотрим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе, собранного по схеме с общим эмиттером. Предварительный каскад усилителя приведен на рис. 2.6.

Напряжение синусоидального сигнала через разделительный конденсатор поступает на участок база-эмиттер транзистора VT. При этом конденсаторы большой ёмкости и отделяют цепь постоянного тока (цепь питания транзистора) от цепи источника входного сигнала и цепи нагрузки. Для нормальной работы транзистора VT между эмиттером и базой должно быть приложено небольшое постоянное напряжение смещения (десятые доли вольта).


Рис. 2.6. Предварительный каскад усилителя на биполярном транзисторе
Для получения применен резистор , играющий роль отрицательной обратной связи по току . Так, если , то с увеличением , увеличивается базовый ток и уменьшается входной ток . При этом напряжение невелико, им пренебрегаем. Изменение входного сигнала вызывает изменение коллекторного тока и напряжения на нагрузке . Коэффициенты усиления по напряжению (току) определяются соотношениями , .

Расчёт такого каскада показан графически на рис. 2.7. Здесь приведены входная характеристика и выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Если принять, что сопротивление нагрузки и напряжение источника заданы, то положение линии нагрузки на выходных характеристиках транзистора определяется линией СD. Выбираем на этой линии рабочий участок АВ.

Рабочая точка О при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка. Проекция отрезка АО на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка О указывает, что транзистор находится в режиме покоя (значения и ).

Кроме того, точка О определяет ток покоя базы , а следовательно, и положение рабочей точки О’ на входной характеристике. Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А’ и В’ на входной характеристике. Проекции отрезка А’О’ на оси абсцисс и ординат определяют соответственно амплитуды переменных входных сигналов по напряжению и току. На практике в качестве входной характеристики используют характеристику, в которой = .


Рис. 2.7. Графический расчёт параметров предварительного каскада усилителя на биполярном транзисторе
Выходной каскад УНЧ может быть собран на транзисторе по схеме с общим эмиттером, который изображён на рис. 2.8. При этом для увеличения мощности на нагрузке необходимо выполнить условие, при котором сопротивление нагрузки , где внутреннее сопротивление коллекторно-эмиттерной цепи транзистора, которое составляет сотни ОМ, то есть больше сопротивления нагрузки .


Рис. 2.8. Выходной каскад усилителя на биполярном транзисторе

(усилитель мощности)
Понижающие трансформаторы применяют для согласования с , при этом сопротивление первичной обмотки трансформатора , где коэффициент трансформации зависит от отношения витков вторичной и первичной обмоток.