Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
38. Фоторезистор називають напівпровідникові прилади, провідністьяких змінюється під дією світла. Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показанана рис. 1, 2 додатки. Основним елементом фоторезистори є в першувипадку монокристалла в другому - тонка плівка напівпровідниковогоматеріалу. Якщо Фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис. 3 програми) і не освітлений, тов його ланцюзі буде протікати темнової ток Т = т + н, (4) де Ее. р. с. джерела живлення; т - величина електричногоопору фоторезистори в темряві, звана темнова опором; н - опір навантаження. При освітленні фоторезистори енергія фотонів витрачається на перекладелектронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-дорученихпар зростає, опір фоторезистори падає і через нього течесвітловий струм с = С + н. (5) Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму Iф,що отримав назву первинного фотоструму провідності ф = с - Т. (6) Коли променистий потік малий, первинний фотоструму провідності практичнобезінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку,падаючого на фоторезисторів. В міру зростання величини променевого потокузбільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини,електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковийпотік електричних зарядів, що отримав назву вторинної фотострумупровідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рухелектронів провідності. У результаті цієї зміни фотоструму запізнюютьсяв часі щодо змін світлового потоку, що визначаєдеяку інерційність фоторезистори. Характеристики фоторезисторів Основними характеристиками фоторезисторів є вольтамперних, що характеризує залежність фотоструму (при постійномусвітловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Дляфоторезисторів ця залежність практично лінійна мал. 4 додатку). Закон Ома порушується в більшості випадків тільки при високих напругахна фоторезистори. Світлова (люксамперная), яка характеризує залежність фотоструму відпадаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фотрезістори мають нелінійну люксамперную характеристику рис. 5 додатка). Найбільша чутливість виходить при малихосвітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для вимірювання дужемалих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струмзростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахиллюксамперной характеристики залежить від прикладеної до фоторезисторинапруги. Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистори придії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжинихвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуванимдля виготовлення світлочутливого елементу. Сірчистої-кадмієвіфоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру,селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистої- свинцеві - в інфрачервоній рис. 6 додатка). Частотна, що характеризує чутливість фоторезистори при діїна нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявністьінерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотострумузалежить від частоти модуляції світла, яке на них світлового потоку - ззбільшенням частоти світлового потоку фотоструму зменшується (рис. 7додатки). Інерційність оганічівает можливості застосуванняфоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти. Параметри фоторезисторів Основні параметри фоторезисторів: Робоча напруга р - постійна напруга, прикладена дофоторезистори, при якому забезпечуються номінальні параметри притривалої його роботі в заданих експлуатаційних умовах (як правило, від 1 до 1000 в. Максимально допустима напруга фоторезистори Umax - максимальнезначення постійної напруги, прикладеної до фоторезистори, при якомувідхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначенихмеж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах. темнової опір т - опір фоторезистори під час відсутностіпадаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості (варіює у звичайних приладах від 1000 до 100000000 ом. Світлове опір С - опір фоторезистори, вимірянийчерез певний інтервал часу після початку впливу випромінювання,що створює на ньому освітленість заданого значення. Кратність зміни опору KR - відношення темновогоопору фоторезистори до опору при певному рівніосвітленості (світловому опору. Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступаєнезворотних змін параметрів фоторезистори в процесі його експлуатації. Загальний струм фоторезистори - струм, що складається з темнового струму і фотоструму. фотоструму - струм, що протікає через Фоторезистор при зазначеній напрузіна ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання із заданимспектральним розподілом. Питома чутливість - відношення фотоструму до твору величинипадаючого на Фоторезистор світлового потоку на прикладена до ньогонапруга, мкА/(лм (В) К = Iф/(ФU), (7) де ф - фотоструму, що дорівнює різниці струмів, що протікають по фоторезистори втемряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА Ф - падаючийсвітловий потік, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистори, В. Інтегральна чутливість - добуток питомої чутливостіна граничне робоча напруга Sінт = К. Постійна часу (ф - час, протягом якого фотоструму змінюється на 63%, тобто враз. Постійна часу характеризує інерційністьприладу і впливає на вигляд його частотної характеристики. При включенні і виключенні світла фотоструму зростає до максимуму (рис. 8 додатка) і спадає до мінімуму не миттєво. Характер і тривалістькривих наростання і спаду фотоструму в часі суттєво залежать відмеханізму рекомбінації нерівноважних носіїв у даному матеріалі, а такожвід величини інтенсивності світла. При малому рівні інжекції наростання іспад фотоструму в часі можна представити експонентами з постійноючасу (, рівний часу життя носіїв у напівпровіднику. У цьому випадкупри включенні світла фотоструму ф буде наростати і спадати в часі ззакону ф = ф (1 - e - t/(); ф = ф e - t/(, (8) де ф -- стаціонарне значення фотоструму при освітленні. За кривим спаду фотоструму в часі можна визначити час життя (нерівноважних носіїв. Виготовлення фоторезисторів Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди,селенідом і теллуріди різних елементів, а також з'єднання типу AIIIBV. Уінфрачервоної області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS, PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла і ближнього ультрафіолету - CdS. Фотодіо́д — це приймач оптичного випромінювання, який перетворює падаюче на його фоточутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості. Коли фотон, що має достатню енергію, потрапляє на фотодіод, в останньому відбувається внутрішній фотоефект: фотон збуджує електрон з матеріалу діода, таким чином створюючи пару носіїв заряду вільний електрон і позитивно заряджену дірку. Якщо поглинання відбувається в області збіднення напівпровідника, ці нові носії виносяться з області її власним електричним полем. Завдяки цьому дірки рухаються до анода, а електрони до катода, і виникає фотострум. Струм фотодіода як діода визначається струмом неосновних носіїв (дрейфовий струм). Параметрита характеристики • чутливість • еквівалентна потужність шуму (англ. noise-equivalent power) • вольт-амперна характеристика • спектральна характеристика • темновий рівень струму • інерційність Режими включення Схематичне позначення фотодіода Фотодіод може працювати в двох режимах • фотогальванічний (також: фотовентильний, генераторний, англ. photovoltaic mode) - без зовнішньої напруги • фотодіодний (також: діодний, англ. photoconductive mode) - із зовнішньою зворотною напругою Модифікації p-i-n фотодіод Між p- та n- областями протилежних типів провідності додається середня область з ізолятора. Переваги: є можливість забезпечення чутливості в довгохвильовій частині спектру за рахунок зміни ширини i-області • висока чутливість і швидкодія мала робоча напруга Недоліки: • технологічна складність отримання високої чистоти i-області Переваги фотодіодів простота технології виготовлення і структур • поєднання високої фоточутливості та швидкодії • малий опір бази мала інерційність Застосування Фотодіоди використовуються в побутових електронних пристроях, зокрема програвачах компакт- дисків, детектори диму, приймачах для пультів дистанційного управління. Фотодіоди часто використовуються для точного вимірювання інтенсивності світла в науці та промисловості. 39. Напівпровідниковий діод, принцип дії й типи. Електронно-дірковий перехід являє собою напівпровідниковий діод. У pn переході носії заряду утворюється при введенні в кристал акцепторної чи донорної домішки. Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію. селену та інших речовин. На малюнку 3 показано пряме (б) і зворотне (в) подсоедененіе діода. Вольта-мперная характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 3. Н Малюнок 1 елінейние властивості діода видно при розгляді його вольтамперной характеристики. Прямий струм в десятки міліампер виходить при прямому напрузі порядку десятих часток вольта. Тому пряме опір має величину не вище десятків Ом. Для більш потужних діодів прямий струм становить сотні міліампер і більше при такому ж малому напрузі, а R відповідно знижується до одиниць Ом і менше. Зворотний струм при зворотному напрузі до сотень вольту діодів невеличкий потужності становить лише одиниці або десятки мікроампер. Це відповідає зворотному опору до сотень кОм і більше. Напівпровідникові діоди підрозділяються за багатьма ознаками. Насамперед варто розрізняти точкові, площинні і полікристалічні діоди. У точкових діодів лінійні розміри, що визначають площу pn переходу, такого ж порядку як товщина переходу, або менше її. У площинних діодів ці розміри значно більше товщини переходу. Малюнок 3 Точкові діоди мають малу ємність pn переходу і тому застосовуються на будь-яких частотах аж до СВЧ. Але вони можуть пропускати струми не більше одиниць або декількох десятків міліампер. Площинні діоди залежно від площі переходу володіють ємністю в десятки пікофарад і більше. Тому їх застосовують на частотах не більше десятків кілогерц. Допустимий струм в площинних діодах буває від десятків міліампер до сотень ампер і більше. Основою точкових і площинних діодів є платівки напівпровідника, вирізані з монокристалу, що має в усьому своєму обсязі правильне кристалічну будову. В якості напівпровідникових речовин для точкових і площинних діодів застосовують найчастіше германій і кремній, а останнім часом також і арсенід галію і карбід кремнію. Полікристалічні діоди мають pn перехід, утворений напівпровідниковими шарами, що складаються з великої кількості кристалів малого розміру, різноорієнтованих один щодо одного і тому не представляють собою єдиного монокристала. Ці діоди бувають селенових, меднозакісние (купроксние) і титанові. П рінціп пристрої точкового діода показаний на малюнку 3 (а. У ньому тонка загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою приварюється за допомогою імпульсу струму до пластинки напівпровідника з певним типом електропровідності. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки які створюють в ньому область з іншим типом провідності. Це процес наз. формовкой діода. Таким чином, близько голки виходить міні pn перехід напівсферичної форми. Отже, принципової різниці між точковими і площинними діодами немає. Останнім часом з'явилися ще так звані мікро площинні або мікросплавние діоди, які мають дещо більший по площині pn перехід, ніж точкові діоди (б. Площинні діоди виготовляються, головним чином, методами сплавки дифузії. Для прикладу на малюнку а) показаний принцип устрою сплавного германієвого діода. До платівки германію типу вплавляют при температурі близько 500 градусів краплю індію, яка сплавляючись з германієм, утворює шар германію типу. Область з електропровідністю типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка порівняно високоомного германію, і тому є емітером. До основної платівці германію та до індію припаюються вивідні зволікання, звичайно з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взятий високоомний германій типу, тов нього вплавляют сурму і тоді виходить емітерного область n- типу. Слід зазначити, що сплавним методом отримують так звані різкі чи ступінчасті pn переходив яких товщина області зміни концентрації домішок значно менше товщини області об'ємних зарядів, що існують у переході. Типи діодів. За призначенням напівпровідникові діоди підрозділяються на випрямні діоди малої, середньої та великої потужності, імпульсні діоди і напівпровідникові стабілітрони. Випрямні діоди малої потужності. До них відносяться діоди, поставляються промисловістю на прямий струм до мА. Довідковим параметром випрямних діодів малої потужності є припустимий випрямний струм (допустимої середнє значення прямого струму), який визначає в заданому діапазоні температур допустиме середнє за період значення довгостроково протікають через діод імпульсів прямого струму синусоїдальної форми при паузах у 180 (напівперіод) і частоті 50 Гц. Максимальна зворотна напруга цих діодів лежить в діапазоні від десятків до В. Випрямні діоди середньої потужності. До цього типу відносяться діоди, допустиме середнє значення прямого струму яких лежить в межах 300мА-10мА. Великий прямий струм цих порівняно з малопотужними діодами досягається збільшенням розмірів кристала, зокрема робочої площі pn переходу. Діоди середньої потужності випускаються переважно кремнієвими. У зв'язку з цим зворотний струм цих діодів при порівняно великій площині pn переходу досить малий (кілька десятків мікроампер). Теплота, що виділяється в кристалі від протікання прямого та зворотного струмів в діодах середньої потужності, вже не може бути розсіяна корпусом приладу. Потужні (силові) діоди. До даного типу відносяться діоди на струми від А і вище. Промисловість випускає силові діоди на струми 10,16,25,40 і т.д. і зворотні напруги до В. Силові діоди мають градацію по частоті охоплюють частотний діапазон до десятків кілогерц. Потужні діоди виготовляють переважно з кремнію. Кремнієва платівка з pn переходом, створюваним дифузним методом, для таких діодів є диск діаметром мм і товщиною 0,3-0,6 мм. Основні параметри напівпровідникового діода • I s — струм насичення (тепловий струм); б — опір бази діода; а — активний опір; Д — диференційний опір; б — бар'єрна ємність; • С Д — дифузійна ємність • R тп к — тепловий опір перехід — корпус Кв — коефіцієнт випростування; к — контактна різниця потенціалів. 40. Генератори лінійно змінюються напруг Для отримання напруг пилкоподібної форми використовуються генератори лінійно змінюється напруги (ГЛИН. Їх поділяють на генератори лінійно наростаючої і лінійно падаючого напруги. У першому випадку за час t, рівне тривалості прямого ходу, відбувається зміна напруги, що генерується від мінімуму до максимуму. Розглянемо принцип отримання пилоподібного напруги. Закон зміни напруги, близьке до лінійного, можна отримати на конденсаторі, якщо струм заряду або розряду буде постійним. Р ассмотрім процеси заряду і розряду в схемі, наведеній на малюнку 21.5. Малюнок 21.5 - Еквівалентна схема генератора лінійно змінюється напруги При розмиканні ключа конденсатор С починає заряджатися від джерела ЕРС Е 0. Процес заряду супроводжується наростанням напруги на конденсаторі С, триває протягом часу t, відповідає тривалості прямого ходу. Потім він припиняється замиканням ключа, а конденсатор розряджається (зворотний хід). Швидкість наростання напруги на С визначається співвідношенням Якщо потрібно забезпечити лінійну зміну U c ( ), То відповідно до наведеними виразом зарядний струм повинен бути постійним. Але зменшення напруги на конденсаторі С відбувається за експоненціальним законом Е слі вимоги до лінійності дуже великі, можна використовувати схему, наведену на малюнку 21.6. Малюнок 21.6 - Генератор лінійно змінюється напруги на операційному підсилювачі Диференціюємо попередній вираз і отримуємо Якщо час t багато менше R C, то , тобто якщо тривалість прямого ходу Т пр багато менше R C, то закон зміни напруги на конденсаторі С близький до лінійного. 41. Випрямлячі - це електротехнічні пристрої, призначені для перетворення енергії джерела напруги змінного струму в енергію напруги постійного струму. До складу входять (9.1) : - трансформатор напруги; - вентильна схема - згладжуючий фільтр; - стабілізатор напруги (регулятор напруги); - навантаження. Як правило, випрямляч підмикається до розподільної мережі напруги змінного струму. Трансформатор призначений для перетворення величини напруги мережі до значення, необхідного для роботи випрямляча. Він також забезпечує електричну (гальванічну) розв’язку мережі і навантаження. Вентильна схема перетворює змінну напругу у випрямлену – пульсуючу одно полярну. Вона, як правило, виконується на напівпровідникових ключах. Згладжуючий фільтр перетворює випрямлену напругу у постійну. Фільтри виконуються на реактивних елементах, що мають властивість накопичувати електричну енергію: конденсаторах, дроселях. Такі фільтри називаються пасивними. Для живлення радіоелектронних пристроїв часто використовують активні фільтри, що будуються на транзисторах, операційних підсилювачах та реактивних елементах. Стабілізатор напруги підтримує напругу на навантаженні на незмінному рівні при змінах напруги мережі або навантаження у заданих межах. При необхідності регулювання напруги на навантаженні за необхідним законом і у заданих межах використовують регулятори напруги.Стабілізатор також являє собою різновид регулятора, у якого забезпечується автоматичне регулювання за ознакою постійності значення напруги на навантаженні. Регулятор (стабілізатор) може бути увімкнено і зі сторони змінної напруги (до трансформатора. Параметри вузлів випрямляча та їхніх елементів,режими роботи повинні бути узгоджені із заданими умовами роботи навантаження. Навантаження також вважають елементом випрямляча, бо зміни його опору в процесі роботи впливають на режим роботи усього пристрою. Згладжуючий фільтр, стабілізатор( регулятора іноді й трансформатор можуть не входити до складу випрямляча, якщо у них немає необхідності. Крім вказаних вузлів, випрямляч може мати вузли і елементи захисту від короткого замикання, пе5ревантаженнязниження напруги мережі та ін.. (запобіжник, автоматичний вимикач, електронний пристрій захисту, елементи і вузли індикації наявності і значення напруги і струму, а також вузли діагнозтики працездатності). Випрямлячі класифікують за числом фаз – однофазні та багатофазні (останні – найчастіше трифазні). За потужністю випрямлячі бувають малої потужності (до Вт, середньої(до кВт) і великої (понад кВт. Є некеровані випрямлячі та керовані. Перші будуються на некерованих вентилях – на діодах, другі – на керованих – наприклад, на тиристорах. За принципом дії випрямлячі поділяються на одноконтактні та двоконтактні. Одноконтактними називаються випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм протікає один раз за один період напруги мережі і лише у одному напрямку. Важливим параметром випрямляча є |