Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 6 из 17

Примеры обозначения приборов:

КП310А — кремниевый транзистор малой мощности, с граничной частотой более 30 МГц, номер разработки 10,группа А;

2П701Б — кремниевый транзистор большой мощнос­ти, с граничной частотой не более 30 МГц, номер разработки 1, группа Б.

1.4. ТИРИСТОРЫ

1.4.1. Устройство и основные физические процессы

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выклю­чен), имеющие три или более p-n-переходов.

Тиристор по своему принципу — прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкну-тому 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 (дини-сторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Они являются основными элементами в силовых уст­ройствах электроники, которые называют также устрой­ствами преобразовательной техники. Типичными предста­вителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоян­ное напряжение в переменное). Динисторы, как правило, используются в слаботочных импульсных устройствах.

Существует большое количество различных тиристо­ров. Для определенности вначале обратимся к так назы­ваемому управляемому по катоду незапираемому тиристо­ру с тремя выводами (два силовых и один управляющий), который проводит ток только в одном направлении.

Дадим упрощенное изображение структуры тиристора (рис. 1.109) и его условное графическое обозначение (рис. 1.110).

Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 1.111), где использованы следующие обозначения:

• 
  i_a— ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);
  
• 
  и_ак— напряжение между анодом и катодом;
  
• 
  i_y— ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);
  
• 
  и_ук — напряжение между управляющим электродом и катодом;
  
• 
  и_пит — напряжение питания.
  

Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения U_пеp (и_пит < U_nep) и что после подключения источника питания импульс уп­равления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При этом р-п -переходы П₁ и П₃ будут смещены в прямом на­правлении, а переход П₂ — в обратном направлении (см. рис. 1.109), поэтому ток тиристора будет малым (i_a= 0) и будут выполняться соотношения и_ак = и_пит, u_R= 0 (нагруз­ка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение и_пит>U_nepили что после подключения источника питания (даже при выполнении условия u_num< U_nep) был подан им­пульс управления достаточной величины, то тиристор бу­дет находиться в открытом (включенном) состоянии. При этом все три перехода будут смещены в прямом направ­лении и будут выполняться соотношения и_ак 1В, i_a= u_num/R_H, u_R= u_num(т. е. нагрузка оказалась подключенной к источ­нику питания).

Существуют тиристоры, для которых напряжение U_nepбольше, чем 1кВ, а максимально допустимый ток i_aболь­ше, чем 1кА.

При изучении принципа работы тиристора очень важ­но понять, что происходит в момент его включения и по­чему переход П₂ во включенном состоянии смещен в пря­мом направлении. Для соответствующих объяснений обратимся к условному изображению структуры тиристоpa (рис. 1.112). Можно заметить, что такая структура со­ответствует схеме на двух транзисторах (рис. 1.113). Вна­чале рассмотрим процесс включения тиристора при и_ак= = U_пеpи i_y= О (так называемое включение по аноду), од­нако такой способ включения не рекомендуется исполь­зовать на практике.

у






Имеют место соотношения:



где a_cm1,a_cm2,I_ко1,I_ко2— соответственно статические коэффициенты передачи токов эмиттеров и обратные токи коллекторов транзисторов Т₁и Т₂.


получим

откуда

Обозначим через I_кообщий обратный ток p-n-перехо­да П₂ тогда
Как уже отмечалось, коэффициенты передачи токов транзисторов изменяются при изменении режимов рабо­ты транзисторов.

При малых токах а_ст1+ а_ст2<<1 и через тиристор про­текает ток i_a=I_K0 .При увеличении напряжения и_акток 1_ко возрастает, и вместе с этим возрастают коэффициенты α_сг1 и а_ст2. При приближении суммы а_ст1+ а_ст2к единице ток i_aрезко, скачкообразно возрастает и тиристор переходит в открытое (включенное) состояние, после чего ток в схе­ме ограничивается только сопротивлением нагрузки R_н. Время, в течение которого тиристор переходит во вклю­ченное состояние, составляет доли микросекунды или единицы микросекунд (это так называемое время вклю­чения t_вкл..

Так как токи баз транзисторов велики и приближают­ся по своим значениям к токам коллекторов, оба транзи­стора находятся в режиме насыщения. Это означает, что переход П₂ тиристора смещен в прямом направлении.

Процесс включения тиристора можно объяснить и не прибегая к представлению тиристора в виде двух транзи­сторов. Но и при таком анализе вывод остается прежним: переход П₂ во включенном состоянии смещен в прямом направлении. Такое состояние перехода П₂ обеспечивается наличием избыточной (по сравнению с выключенным состоянием тиристора) концентрацией в слоях п₁и p₂ не­основных и основных носителей электричества. Это означает, что во включенном состоянии в указанных слоях имеются избыточные заряды.

Динисторы, естественно, могут включаться только по аноду.

Теперь рассмотрим процесс включения тиристора при подаче импульса управления и при условии, что и_ак <U_пеp(так называемое включение по управляющему электроду). Это рекомендуемый способ включения.

Обратимся к эквивалентной схеме на двух транзисто­рах (см. рис. 1.113). Легко увидеть, что подача положитель­ного напряжения на управляющий электрод относитель­но катода вызывает появление тока базы транзистора Т₂. Это приводит к включению транзисторов эквивалентной схемы, т. е. к включению тиристора, причем чем больше ток управления, тем при меньшей величине напряжения и_акпроисходит включение тиристора. После окончания импульса управления тиристор остается включенным.

Характерной особенностью рассматриваемого незапи-раемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с по­мощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике на него пода­ют обратное напряжение и_ак< О и поддерживают это на­пряжение в течение времени, большего так называемого времени выключения t_выкл. Оно обычно составляет едини­цы или десятки микросекунд. За это время избыточные за­ряды в слоях n₁и р₂исчезают. Для выключения тиристора напряжение питания и_питв приведенной выше схеме (см. рис. 1.111) должно изменить полярность.

После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подать прямое напряжение (и_ак>0), и он будет вы­ключенным до подачи импульса управления.

Тиристор выключается также в случае, когда обратное напряжение не подается, но ток i_aуменьшается до неко­торой малой величины, называемой током удержания i_yd. При этом напряжение на тиристоре увеличивается скачкообразно. Такой способ выключения на практике ис­пользуется редко, так как время выключения при этом оказывается значительным.

Существуют так называемые запираемые тиристоры, которые могут быть выключены с помощью тока управ­ления.

Если на тиристор подано обратное напряжение и_вк<0, то переходы П, и П₃ смещаются в обратном направлении и через тиристор протекает малый обратный ток.

Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, вклю­ченных встречно-параллельно (рис. 1.114). Дадим услов­ное графическое обозначение симистора (рис. 1.115).




1.4.2. Характеристики

Изобразим семейство статических выходных вольт-ам­перных характеристик тиристора (рис. 1.116).

Различные характеристики соответствуют различным значениям постоянного тока управления. Но важно по­мнить, что на практике тиристор обычно включают не по­стоянным, а импульсным током управления.

При расчете тиристорных схем используют также ха­рактеристику цепи управления тиристора, т. е. цепи управ­ляющий электрод-катод. Это зависимость вида i_y =f(u_yк),

где f— некоторая функция. Такая характеристика подоб­на характеристике диода.



Рис. 1.116

В заключение изобразим семейство статических выход­ных вольт-амперных характеристик симистора (рис. 1.117).




1.4.3. Графический анализ схем с тиристорами

Выполним анализ схемы с тиристором (рис. 1.118).

Рис. 1.118

Составим для выходного контура уравнение линии нагрузки:




Построим эту линию нагрузки на выходных характери­стиках тиристора (рис. 1.119). Для определения значений i_aи и_aкнеобходимо найти ток управления:

так как напряжение и_ублизко к нулю.

Если i_y > i_y2 , то режим работы тиристора соответствует точке А (ток i_aвелик, а напряжение и_акмало), т. е. тирис­тор включен.

Если i_y < i_y1, то для определения положения рабочей точки тиристора нужна дополнительная информация о предыстории его работы. Если он уже был включен, то ре­жим работы соответствует точке А, если был выключен, то режим работы соответствует точке В.

1.4.4. Классификация

и система обозначений

Выпускаемые с 1980 г. тиристоры имеют классифика­цию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1—89 и приведенные в [3]. Вместе с тем в эксплу­атации находятся тиристоры, система обозначений кото­рых регламентировалась стандартами (ГОСТ 10862—72, ГОСТ 14069—72 и др.), в настоящее время отмененными. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из четырех элементов (ГОСТ 10862-72):

Первый элемент (буква или цифра) обозначает исход­ный материал: Г, или 1, — германий; К, или 2, — крем­ний; А, или 3, — арсенид галлия.

Второй элемент (буква) — вид прибора: Н — диодный тиристор (динистор); У — триодный тиристор.

Третий элемент (число) обозначает основные функци­ональные возможности прибора и номер разработки:

от 101 до 199—диодные и незапираемые триодные ти­ристоры малой мощности (I_ос.ср< 0,3 А, I_ос.ср — средний ток в открытом состоянии);

от 201 до 299—диодные и незапираемые триодные ти­ристоры средней мощности (0,3А_ос.ср< I_ос.ср< 10 А);

от 301 до 399 —триодные запираемые тиристоры малой мощности (I_ос.ср< 0,3 А);

от 401 до 499 — триодные запираемые тиристоры сред­ней мощности (0,3 А < I_ос.ср <10А);

от 501 до 599—симметричные незапираемые тиристо­ры малой мощности (I_ос.ср <0,3 А);

от 601 до 699 — симметричные незапираемые тиристо­ры средней мощности (0,3 А < I_ос.ср< 10 А).

Четвертый элемент (буква) А, Б, В и т. д. обозначает типономинал прибора.

Буквенно-цифровой код системы в соответствии с ГОСТ 20859.1—89 состоит из следующих элементов:

первый элемент — буква или буквы, обозначающие вид прибора: Т — тиристор; ТЛ — лавинный тиристор; ТС — симметричный тиристор (симистор); ТО — оптотиристор; ТЗ — запираемый тиристор; ТБК — комбинированно выключаемый тиристор; ТД — тиристор-диод;

второй элемент — буква, обозначающая подвид тири­стора по коммутационным характеристикам: Ч — высокочастотный (быстро включающийся) тирис­тор; Б — быстродействующий; И — импульсный;

третий элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая порядковый номер модификации (разработки);

четвертый элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая классификационный размер корпуса прибора;

пятый элемент — цифра (от 0 до 5), обозначающая кон­структивное исполнение;

шестой элемент — число, равное значению максималь­но допустимого среднего тока в открытом состоянии для тиристоров, лавинных тиристоров, оптотирис-торов, комбинированно выключаемых тиристоров, максимально допустимого импульсного тока для импульсных тиристоров, максимально допустимого действующего тока для симисторов и импульсного запираемого тока для запираемых тиристоров. Для тиристоров-диодов шестой элемент состоит из дро­би, в числителе которой — значение максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии, а в знаменателе — значение максимально допустимого среднего тока в обратном проводящем состоянии;

седьмой элемент — буква X для приборов с обратной полярностью (основание корпуса — катод);

восьмой элемент — число, обозначающее класс по по­вторяющемуся импульсному напряжению в закры­том состоянии (сотни вольт);

девятый элемент — группа цифр, обозначающая соче­тание классификационных параметров: (du_зс/dt)_кpдля низкочастотных приборов (аббревиатура «зс» означает запертое состояние, а аббревиатура «кр» — критическое значение); (du_зс/dt)_кpи t_выклдля высоко-частотных приборов; (du_зс/dt)_кp, t_вкли t_выкл для быст-родействующих приборов; для симметричных тири-сторов (симисторов) и тиристоров-диодов вместо (du_зс/dt)_кpклассификационным параметром являет-ся (di_ос/dt)_кp.

Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1-89:

ТЛ171-320-10-6 — тиристор лавинный первой модифи-кации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конст-руктивное исполнение — штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в откры-том состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напря-жение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), крити-ческая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс.

1.5. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

1.5.1. Общая характеристика

оптоэлектронных приборов

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 • 10¹² Гц до 5 • 10¹⁷ Гц. Иногда говорят о более узком диапазоне частот — от 10 нм до 0,1 мм (=5 • 10¹²...5 • 10¹⁶ Гц). Видимому диапазону соответ­ствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота око­ло, но меньше 10¹⁵ 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-фототранзис-тор, светодиод-фототиристор.

Перечислим основные достоинства оптоэлектронных приборов:

• высокая информационная емкость оптических ка­налов передачи информации, что является следстви­ем больших значений используемых частот;

• полная гальваническая развязка источников и при­емников излучения;

• отсутствие влияния приемника излучения на источ­ник (однонаправленность потока информации); • невосприимчивость оптических каналов к электро­магнитным полям (высокая помехозащищенность).
1.5.2. Излучающий диод (светодиод)

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.

Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 1.120, а его ус­ловное графическое обозначение — на рис. 1.120, б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к ука­занной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Характеристики и параметры. Для излучающих дио­дов, работающих в видимом диапазоне (длина волны от


0,38 до 0,78 мкм, частота около, но меньше 10¹⁵ Гц), ши­роко используются следующие характеристики:

• зависимость яркости излучения L от тока диода i
(яркостная характеристика);

• зависимость силы света 1_Уот тока диода i.
Для излучающих диодов, работающих не в видимом

диапазоне, используют характеристики, отражающие за­висимость мощности излучения Р от тока диода i.

Изобразим яркостную характеристику для светоизлуча-ющего диода типа АЛ102А (рис. 1.121). Цвет свечения это­го диода — красный.

Изобразим график зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А (рис. 1.122) (цвет свечения — красный).

Изобразим зону возможных положений (рис. 1.123) графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфра­красном диапазоне (длина волны 0,93...0,96 мкм)

Приведем для диода типа АЛ 119А его некоторые пара­метры:

• время нарастания импульса излучения — не более 1000 нс;

• 
  время спада импульса излучения — не более 1500 не;
  

• 
  постоянное прямое напряжение при i = 300 мА — не более 3 В;
  
• 
  постоянный максимально допустимый прямой ток при t< +85°С — 200 мА;
  

• 
  температура окружающей среды —60...+85°С.
  

Для информации о возможных значениях коэффици­ента полезного действия отметим, что излучающие дио­ды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны около 0,95 мкм, ширина спектра не более 0,05 мкм), имеют коэффициент полезного дей­ствия не менее 10%.

Система обозначений. Давно существующая системах обозначений предполагает использование двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛС331 и приве­дена в [3]. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) — на конструктивное исполнение: Л — единичный светодиод, ЛС — ряд или матрица свето-диодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обознача­ют номер разработки. Нельзя не признать такую систему несовершенной.

В настоящее время источники излучения обозначают­ся как частный случай индикаторов. Современные обозна­чения индикаторов содержат семь элементов.

Первый элемент — буква И, обозначающая принадлеж­ность прибора к знакосинтезирующим индикаторам (ЗСИ).

Второй элемент — буква, обозначающая вид индикато­ра: Н — вакуумные накаливаемые; Л — вакуумные элект­ролюминесцентные; Ж — жидкокристаллические; П — полупроводниковые; Э — электролюминесцентные.

Третий элемент — буква, характеризующая отобража­емую информацию: Д — единичная; Ц — цифровая; В — буквенно-цифровая; Т — шкальная; М — мнемоническая; Г — графическая.

Четвертый элемент — число, указывающее на поряд­ковый номер разработки: номер с 1-го по 69-й — индика­торы без встроенного управления; с 70-го по 99-й — со встроенным управлением.

Пятый элемент — буква, обозначающая принадлеж­ность индикатора к одной из классификационных групп приборов, изготовленных по общему технологическому процессу. Используются буквы русского алфавита от А до Я (не употребляются 3, О, Ы, Ь, Ъ, Ш, Щ).

Шестой элемент — дробь или произведение, характе­ризующее информационное поле индикатора (кроме еди­ничных индикаторов). Для одноразрядных и многоразряд­ных сегментных индикаторов — дробь, числитель которой — число сегментов, знаменатель — число разря­дов. Для одноразрядных и многоразрядных матричных ин­дикаторов — дробь, числитель которой — число разрядов, знаменатель — произведение числа элементов в строке на число элементов в столбце.. Для матричных индикаторов без фиксированных знакомест — произведение числа элементов в строке на число элементов в столбце. Для мнемонических и шкальных индикаторов шестой элемент указывает число элементов индикатора.

Седьмой элемент — буква, обозначающая цвет свечения. Для одноцветных индикаторов: К — красный, Л — зеле­ный, С — синий, Ж — желтый, Р — оранжевый, Г — го­лубой (для одиночных и полупроводниковых индикаторов всех видов). Для многоцветных индикаторов всех видов — буква М.

Обозначение бескорпусных полупроводниковых инди­каторов содержит цифру — восьмой элемент, опре-. деляющий модификацию конструктивного исполнения: 1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя подлож­ки; 2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе; 3— с жесткими выводами без кристаллодержателя; 4 — с же­сткими выводами на кристаллодержателе; 5 — с контакт­ными площадками без кристаллодержателя и выводов; 6 — с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов, кристалл на подложке; 7 — с жесткими вывода­ми без кристаллодержателя, не разделенными на общей пластине; 8 — с контактными пластинами без кристалло­держателя и выводов, на общей пластине.

Иногда перед буквой И появляется буква К, что обо­значает прибор широкого общепромышленного при­менения.

1.5.3. Фоторезистор

Фоторезистором называют полупроводниковый рези­стор, сопротивление которого чувствительно к электроЧ магнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Дадим схематическое изображение структуры фоторези­стора (рис. 1.124,а) и его условное графическое обозначе­ние (рис. 1.124,6).

Поток излучения



Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводи­мость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характери­стика.

Изобразим такую характеристику для фоторезистора типа ФСК-Г7, который работает в видимой части спект­ра (рис. 1.125).

Рис. 1.125

Часто используют следующие параметры фоторезисто­ров:

• 
  номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротив­ление равно 5 МОм);
  
• 
  интегральную чувствительность (чувствительность называют интегральной, так как ее определяют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).
  

Интегральная чувствительность (токовая чувствитель­ность к световому потоку) S определяется выражением




где i_ф — так называемый фототок (это разность между то­ком при освещении и током при отсутствии освеще­ния);

Ф — световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S= 0,7 А/лм.