Шпаргалки по билетам электроника. Билеты по электронике. Билет 5 Контактные явления в проводниках. Стабилитроны, вах и основные параметры. Стабилизаторы напряжения

• Название: Билет 5 Контактные явления в проводниках. Стабилитроны, вах и основные параметры. Стабилизаторы напряжения
• Анкор: Шпаргалки по билетам электроника
• Дата: 09.12.2020
• Размер: 1.5 Mb.
• Имя файла: Билеты по электронике.doc
• Тип: Документы; #158954
• страница: 1 из 3

Билет 5

1. 
   Контактные явления в проводниках. Стабилитроны, ВАХ и основные параметры. Стабилизаторы напряжения.
   

Электронно-дырочный переход – это переход, образуемый при соединении двух полупроводников разного типа проводимости.



Рис. 1.4. р–n тип

Под действием градиента концентрации электронов из n – области переходят в р – область. В результате в р – области на границе р – n перехода возникает объемный отрицательный заряд, а в n – области – объёмный положительный заряд. Взаимодействие этих зарядов создаёт диффузионное электрическое поле. Разность потенциалов возникающих на границе называется - контактной разностью потенциалов .

Возникает потенциальный барьер для основных носителей зарядов. Наступает состояние равновесия.

Уравнение электронного равновесия:



Если мы приложим к n – р – переходу прямое напряжение (“+”к р-обл. и “–“ к n-обл.), то внешнее электрическое поле будет направленно навстречу диффузионному. Это приведёт к уменьшению потенциального барьера. В результате основные носители зарядов смогут передвигаться через n – р – переход. В этом случае говорят об инжекции основных носителей зарядов.

Приложим обратное напряжение (“+” к n – обл.). В этом случае внешнее электрическое поле совпадает по направлению с диффузионным. При приложении обратного напряжения потенциальный барьер для основных носителей заряда увеличивается. Преодолеть его могут только электроны с большой энергией. В любой точке полупроводника, кроме примесной концентрации носителей заряда, существует и собственная концентрация носителей заряда. Для них обратное напряжение является прямым.

Область, имеющая более высокую концентрацию зарядов называют эмиттером, другую область называют базой.

Основное отличие идеального n – р перехода от реального - наличие пробоев в обратной ветви ВАХ и небольшое падение напряжения на n – р – переходе при прямом включении.
Стабилитроны
Схемное обозначение:



Стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний!



ВАХ стабилитрона

Участок (I) характеристики соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.

Основные параметры:

1) напряжение стабилизации: это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации: от 3 до 400 В.

2) температурный коэффициент напряжения стабилизации:

,

3)

Т.к определённым изменениям тока для лучшей стабилизации должны соответствовать мини изменения напряжения, то качество стабилитрона тем выше, чем меньше его диф. сопротивление.
5.2

2. 
   Неинвертирующий УПТ на ОУ. Основные параметры. Преобразователь напряжения в ток.
   

Неинвертирующий усилитель постоянного тока.

балансировочная цепь R₄, R₅, R₆ участвует в формировании ООС, так как включена последовательно с резистором R₁. Поэтому коэффициент усиления по напряжению K ,

где R₄ = R₆ и предполагается, что баланс наступит при почти среднем положении подвижного контакта потенциометра R₅.

Если осуществляется балансировка схемы рассматриваемого усилителя, изменяется (незначительно) коэффициент передачи K. В прецизионной измерительной электронике этот факт имеет значение. Подобного явления в инвертирующей схеме нет.

Для подавления влияния входных токов на напряжение сдвига U_сдв требуется обеспечить равенство сопротивлений в цепях инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ. С этой целью включен резистор R₃. Если внутреннее сопротивление R_г источника входного напряжения U_вх пренебрежимо мало, то это необходимо учитывать, включая резистор R₃.

Пусть R_г << R₃, тогда

Наконец, через балансировочную цепь R₄, R₅, R₆ течет сквозной ток где имеется в виду, что R₆ = R₄.

Получили систему трех уравнений с пятью неизвестными: R₁, R₂, R₃, R₄ = R₆, R₅. Для ее решения нужно учесть какие-то рекомендации или особенности, задать некоторые искомые величины.

Самая «свободная» величина в системе уравнений – это сопротивление R₃, так как оно не влияет на параметры усилителя, кроме входного сопротивления, но оно и без R₃, по-существу, безмерно большое. Поэтому R₃ следует находить в последнюю очередь из выражения (1.19).

Не следует делать R₂ слишком большим (более 1 Мом), так его величина согласно (1.15) сильно влияет на напряжение сдвига нуля U_сдв.
8.1

Билет 8

1) Классификация транзисторов. Принцип действия. ВАХ и параметры биполярных транзисторов. Усилительный каскад с ОЭ.

Транзисторы

Классификация

Все транзисторы по внутренней структуре делятся на два типа: биполярные и униполярные (полевые).

n – p – n p – n – p



Рис. 3.1. Типы биполярных транзисторов

Полевые транзисторы по своей структуре делятся на шесть типов.

По мощности различают транзисторы:

1) малой мощности Pдоп<0,3Вт .

2) средней мощности 0.3
3) транзисторы большой мощности Pдоп>1,5Вт.

По граничной частоте пропускания транзисторы делятся на:

1. 
   низкочастотные fгр<3МГц
   
2. 
   средней частоты 3
3. 
   высокой частоты 30
4. 
   СВЧ транзисторы fгр>300МГц
   

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E₁ и E₂.



Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода u_б-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усление электрических колебаний с помощью транзистора. Рассмотрим физические процессы.

При увеличении прямого входного напряжения u_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невилика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается.

Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E₁ и E₂.

Структура реального биполярного транзистора

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером

8.1

Входная характеристика (при Uкэ=const)

Выходная характеристика (при Iб=const)

Усилительный каскад с общим эмиттером
Электрическая схема. Сопротивления R1 и R2 - делитель напряжения, который устанавливает фиксированное напряжение базы. С1 и С2 служат для отсечения постоянной составляющей. Rк служит нагрузкой транзистору Т. Rн – сопротивление нагрузки.

С помощью фиксирования напряжения базы задаётся рабочая точка покоя. Выходная динамическая характеристика усилителя каскада строится по соответствующей выходной статистической характеристики транзистора.

Выходная динамическая характеристика усилителя каскада

Усиливаемый сигнал имеет две составляющие: постоянную и переменную точку. Нагрузкой к каскаду по постоянному току является сопротивление Rк , линия нагрузки строится исходя из следующего выражения:

Постоянной составляющей выходного тока является ток коллектора покоя: т.е

- ток коллектора покоя – это ток, который определяется током базы покоя, ток базы покоя определяется напряжением базы покоя, которое устанавливается делителем напряжения R1 и R2 при отсутствии входного сигнала.

Напряжение базы покоя, ток базы покоя, напряжение коллектора покоя представляет собой координаты рабочей точки покоя.

Строим нагрузочную характеристику по постоянному току:

Нагрузочная характеристика по постоянному току

, где Р – точка покоя

5.2

Преобразователи напряжение-ток

Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному напряжению и не зависеть от сопротивления нагрузки. В частности, при постоянном входном напряжении ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Простейшая схема стабилизатора тока, показанная на рис. 10.41, а, представляет собой инвертирующий усилитель, в котором нагрузка Rn включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Ток в нагрузке будет равен Ui/Rl. Для уменьшения нагрузки на источник входного напряжения он подключается к неинвертирующему входу ОУ. Именно так и сделано в стабилизаторе тока на рис. 10.41, б, для которого ток в нагрузке равен (Ui/Rl)(l+Rl/R2)(l+R2/R4).





В стабилизаторах тока на рис. 10.41 нагрузка не заземлена, что не всегда удобно. С этой точки зрения предпочтительнее стабилизатор тока с заземленной нагрузкой (рис. 10.42). Ток в нагрузке Rn такого стабилизатора определяется формулой Ii=UiA/B, где A=Rl(R4+R5)R2 -R4; B=[Rl(R4+R5)-R2-R3]Rn+Rl R5(R3+R4). Условием независимости Ii от Rn является равенство R1(R4+R5)-R2-R3. В таком случае будем иметь Ii=Ui-R2/(Rl-R5).

Отметим, что если в стабилизаторе на рис. 10.42 подавать Ui через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ, а резистор R3 заземлить, то при выполнении условия R1(R4+R5)=R2-R3 ток в нагрузке только изменит знак.

5.1 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора: Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения   Внутреннее сопротивление   Коэффициент полезного действия определяется по отношению входной и выходной активных мощностей   (7)

Существуют два основных метода стабилизации: параметрический и компенсационный.
Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации.
 

При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких пределах ( ) напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах ( )
 Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. рисунок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. рисунок (б)). Рабочий участок ограничен предельно допустимым по тепловому режиму Imax.


В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным - дроссель насыщения.

Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации.

8.2

2) Генератор прямоугольного напряжения на ОУ.

очень широко применяется в промышленной электронике, так как частота автогенерации не зависит от напряжения питания, его схема проста и может модифицироваться.

В схеме генератора ОУ охвачен двумя обратными связями:

– положительной ОС мгновенного действия в виде делителя напряжения R_1, R₂;

– отрицательной ОС в виде интегрирующей RС цепочки R₃С₁.



Выходное напряжение ОУ ограничивается двуханодным стабилитроном VD1 так, что .

Генератор прямоугольных импульсов на ОУ, где а – принципиальная электрическая схема б – диаграммы напряжений в точках А и С и на выходе схемы.

Благодаря действию ПОС схема может иметь только два устойчивых состояния: либо .


9

Билет 9

1) Виды полевых транзисторов. Принцип действия. ВАХ и параметры полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. СХ-включение.

Все полевые транзисторы делятся на две группы:

• 
  Транзисторы с р – началом
  
• 
  Транзисторы с n – началом
  

Каждая из этих групп делится ещё на три:

I группа: транзисторы с управляющим р – n переходом

Обозначаются:

II группа – полевые транзисторы с изолированным затвором(МДП – транзисторы или МОП – транзисторы), со встроенным каналом.

Обозначаются:

III группа – МДП и МОП транзисторы с изолированным индуцирующим каналом

Обозначаются:

Полевой транзистор, это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

Полевые транзисторы с управляющим р – n переходом

Полевой транзистор с управляющим р – n переходом – это полевой транзистор управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего р – n перехода, включенного в обратном направлении.



Принцип действия: при отсутствии напряжения на затворе, через канал свободно течёт ток стока под действием напряжения сток – исток, то есть полевой транзистор с управляющим р – n переходом является нормально открытым прибором. При изменении обратного напряжения на р – n переходе изменяется его толщина, а следовательно толщина области по которой проходит управляемый ток.

Область в полупроводнике, которой регулируется поток основных носителей заряда называется проводящим каналом Электрод через который в проводящий канал входят носители заряда, называется истоком электродов, через который из канала выходят носители заряда, называется стоком.

14.1

Билет 14

1) Виды тиристоров. Динистор и однооперационный тринистор.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Обозначение на схемах.

Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором. Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична). Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

Диодные тиристоры (динисторы)

Схематичное обозначение:

Диодный тиристор – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

Принцип действия: Структура.

Структура динистора состоит из 4-х областей с чередующимся типом проводимости.

ВАХ тиристора

При подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.
14.2

2) ШИМ (широтно-импульсный модулятор)

Широтно-импульсные модуляторы (ШИМ) применяются для передачи данных с датчиков первичной информации на большие расстояния и управления электроприводом постоянного тока.

Рассмотрим классическийШИМ на основе генератора треугольного напряжения (ГТН) и компаратора.

На рис. представлены схема ШИМ и диаграммы напряжений, поясняющие его принцип действия.

В качестве компаратора используется ОУ DA1 с защитой дифференциального входа от перенапряжения. Выходной сигнал ОУ нормируется стабилитроном DA3. Компаратор сравнивает входное напряжение U_вх с опорным треугольным напряжением U_∆(t). Как видим из рис. б, если U_вх>U_∆(t), то выходное напряжение компаратора положительно (U_вых.m=U_ст.VD3). Когда U_вх<U_∆(t), выходное напряжение U_вых=U_пр.VD3<0 и его можно считать примерно равным нулю.

Воспользовавшись правилом подобия треугольников, из диаграммы напряжений, представленных на рис.б, можно записать:

, откуда получим ,

где T₁ – длительность импульса положительной полярности; U_∆ – амплитуда симметричного треугольного напряжения, U_вх – входное напряжение.




18.1

Билет 18

1) Классификация транзисторов. Полевые транзисторы

Классификация

Все транзисторы по внутренней структуре делятся на два типа: биполярные и униполярные (полевые).

n – p – n p – n – p



Рис. 3.1. Типы биполярных транзисторов

Полевые транзисторы по своей структуре делятся на шесть типов.

По мощности различают транзисторы:

1) малой мощности Pдоп<0,3Вт .

2) средней мощности 0.3
3) транзисторы большой мощности Pдоп>1,5Вт.

По граничной частоте пропускания транзисторы делятся на:

5. 
   низкочастотные fгр<3МГц
   
6. 
   средней частоты 3
7. 
   высокой частоты 30
8. 
   СВЧ транзисторы fгр>300МГц
   

Полевые транзисторы

Все полевые транзисторы делятся на две группы:

• 
  Транзисторы с р – началом
  
• 
  Транзисторы с n – началом
  

Каждая из этих групп делится ещё на три:

I группа: транзисторы с управляющим р – n переходом

Обозначаются:

14.2

Широтно-импульсный модулятор с опорным ГТН и компаратором, где а – функциональная схема, б – диаграммы напряжений U_∆(t), U_вх(t) и U_вых(t) при симметричном треугольном напряжении; в – те же диаграммы напряжений при смещенном опорном треугольном напряжении.

Выходным сигналом U_вых являются прямоугольные импульсы, следующие со скважностью S:



из которого следует важный вывод, что скважность S не зависит от частоты треугольного напряжения . Очевидно, что 0<|U_вх|<U_∆.

Если в схеме ГТН U_см=U_∆R₁/(R₁+R₂), из правила подобия треугольников (см. рис. в) получим: или

Теперь скважность следования положительных импульсов определится следующим образом:

где 0<|U_вх|<2U_∆.

На рис. 5.2 хорошо видно различие в функциях преобразования ШИМ с ГТН без смещения и со смещением U_см=U₀R₁/(R₁+R₂).

Рис. 5.2. Проходные характеристики S₁=f(U_вх) иS₂=f(U_вх) двух вариантов ШИМ, где R1, R2 – резисторы ГТИ


18.1

II группа – полевые транзисторы с изолированным затвором(МДП – транзисторы или МОП – транзисторы), со встроенным каналом.

Обозначаются:

III группа – МДП и МОП транзисторы с изолированным индуцирующим каналом

Обозначаются:

Полевой транзистор, это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

Полевые транзисторы с управляющим р – n переходом



Принцип действия: при отсутствии напряжения на затворе, через канал свободно течёт ток стока под действием напряжения сток – исток, то есть полевой транзистор с управляющим р – n переходом является нормально открытым прибором. При изменении обратного напряжения на р – n переходе изменяется его толщина, а следовательно толщина области по которой проходит управляемый ток.

14.1

Закрытое состояние соответствует участку 0 – 2 ВАХ. Открытое состояние соответствует участку 3 – 4. В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (Iуд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, тиристор закроется.

Постоянный ток коллектора этих транзисторов может выразить через эмиттерные токи.

, Это токи через 1,2,3 р – n переходы , Коэффициенты передачи тока, обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистор) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой:

ток через тиристор (анодный ток).

Тогда анодный ток через тиристор можно будет найти по: ,

Однооперационный тринистор
Схематичное обозначение:

Структура:

Для переключения триодного тиристора также необходимо накопление зарядов в базах. Тринистор можно переключить в необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении.

ВАХ тринистора:

Баланс токов:

, напряжение включенного тиристора зависит от тока управления. С увеличением тока управления, напряжение включения уменьшается.

8.2

Изменение состояния происходит почти мгновенно в моменты, когда напряжение в точке С достигает потенциала в точке А. Интервалы времени Т₁, когда U_С стремится к U_А^–, и Т₂, в течение которого конденсатор C₁ перезаряжается до значения U_А⁺, можно найти из уравнений:



в которых , , τ = R₃С₁, а также .

Решая эти уравнения относительно Т₁ и Т₂, получаем окончательно: .

Период следования импульсов Т=Т₁+Т₂: Частота прямоугольных импульсов будет равна f=1/T.

Видим, что период следования импульсов никак не зависит от напряжения питания ОУ и от амплитуды импульсов.

Как обычно, желательно соблюсти равенство R₁||R₂=R₃.

При расчете компонентов схемы необходимо учитывать следующие ограничения:

– полный размах напряжения между дифференциальными входами ОУ не должен достигать максимально допустимого дифференциального напряжения выбранного типа интегрального ОУ: 2U_А<U_{вх.диф.max.ОУ};

– синфазные напряжения на входах ОУ не должны превышать максимально допустимое синфазное входное напряжение применяемого типа ОУ: U_А=β_посU_вых.m<U_{вх.cф.max.ОУ};

– максимальное мгновенное значение потребляемого тока из ОУ не должно превышать максимально допустимый выходной ток ОУ.
9

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором.

Т.к управление током стока происходит при изменении обратного напряжения на р – n переходе затвора, входные токи полевых транзисторов очень малы и равны обратному току р – n перехода, поэтому потребляемая мощность от источника сигнала практически равна нулю. И следовательно входное сопротивление полевого транзистора очень высоко в этом его преимущество перед биполярным транзистором.

3.3.2 Статические характеристики полевых транзисторов

1. 
   Выходные статические характеристики представляют собой зависимость тока стока от напряжения истока.
   

Первая часть характеристики называется крутой частью. Наклон её зависит от статического сопротивления канала и сопротивления истока и стока.

В результате того, что канал перекрывается неравномерно вблизи стока больше перекрывается, т.к напряжение на стоке больше, то при некотором напряжении на стоке происходит перекрытие канала , насыщения, и при дальнейшем увеличении напряжения ток практически не растёт.

При напряжении на затворе = 0 и при напряжении на стоке = напряжению насыщения, ток стока называют начальным током стока.