лекции. Лекции Общая электротехника. Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей

• Название: Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей
• Анкор: лекции
• Дата: 17.04.2022
• Размер: 4.27 Mb.
• Имя файла: Лекции Общая электротехника.docx
• Тип: Лекции; #480717
• страница: 10 из 11

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.
2) Работа p-n перехода, его ВАХ

В общем виде вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n перехода (рис. 4) представляется экспоненциальной зависимостью

I = I0 (exp U / φТ  - 1)

(1)

 где I₀ - обратный ток. Этот ток имеет небольшие величины (мкА или нА), но довольно сильно увеличивается при повыше­нии температуры.



Рис 4 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n перехода
Из ф-лы (1) следует, что при прямом смещении (U > 0) ток через р-п переход возрастает, а при обратном смещении (U < 0) стано­вится малым, приближаясь к значению I₀. Поскольку φ_Т = 26 мВ, то при положительных напряжениях U >0,1В, в формуле (1) можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой. Таким образом, р-п переход характеризуется свойством односторонней электропроводности, т. е. хорошо проводит ток в прямом на­правлении и плохо в обратном. Следовательно, р-п переход обладает выпрямляющим действием, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

Важным параметром р-п перехода является его дифференциальное сопротивление r_д. Формулу для определения r_д прямой ветви ВАХ получим из (1):

При I ˃˃ I0 получим окончательно: rД = φТ / I.

(2)

C ростом тока дифференциальное сопротивление р-п перехода быстро падает. При токах порядка единиц и десятков миллиампер r_Д состав­ляет десятки и единицы Oм.

При расчете выпрямительных устройств часто пользуются другим параметром р-п перехода - сопротивлением постоянному току R_ст.

Из формулы (1) довольно просто получить зависимость R_ст от рабочего тока:



При прямом смещении р-п перехода (при протекании прямого тока) R_ст всегда больше сопротивления r_д.

Поскольку на р-п переходе при больших токах может выделяться достаточно большая мощность, температура перехода при этом может заметно превысить температуру отдельных областей полупроводникового элемента и окружающей среды.

Тепловой баланс в полупроводниковой структуре устанавливается через некоторое время после включения тока и определяется теплопроводностью отдельных частей структуры. С целью повышения максимально допустимой мощности, выделяемой на р-п переходе, прежде всего следует улучшить теплообмен с окружающей средой. При прямом смещении р-п перехода его идеализированная ВАХ согласно (1) представляется однородной экспонентой. Однако реальная характеристика имеет несколько более сложную форму: состоит из нескольких участков с разными на­клонами. Отличия реальной ВАХ от идеализированной опреде­ляются несколькими причинами.

Первая причина обусловлена процессами рекомбинации в i-области р-п перехода. Она имеет место при малых прямых смещениях. В этом случае ∆φ еще велика, следовательно, имеет место малый уровень инжекции, т. е. в i-область из эмиттера и базы попадает малое число носителей заряда. При таком малом положительном смещении ширина перехода l еще довольно большая - объем i-области еще достаточно велик, следователь­но, в ней присутствует относительно много ловушек. Таким об­разом, за счет большого числа ловушек создаются очень благо­приятные условия в i-области для рекомбинации малого числа инжектированных носителей.

В рассмотренном случае ВАХ формируется за счет тока ре­комбинации, который тоже имеет экспоненциальную зависи­мость от напряжения, но более пологую, чем по (1). За счет такого пологого начального участка вид прямой ветви реальной ВАХ становится таким, как показано на рис. 5. На этом рисунке представлен параметр U_П, называемый напряжением «пятки». Хотя на сегодняшний день и нет четкого определения для этого параметра, он часто используется для прикидочных расчетов радиоэлектронных устройств. Будем несколько услов­но считать, что U_П - это напряжение на р-п переходе, при ко­тором I = 0,1 мА. Нетрудно заметить, что чем больше ∆φ₀ и l₀ (чем шире ε₃), тем должно быть больше и U_П. Следовательно, у кремниевых р-п переходов U_П больше, чем у германиевых, и меньше, чем у переходов из арсенида галлия (рис. 5). Следует отметить, что в формирование величины U_П определенный вклад вносит и ток I₀.



Рис.5 Вид прямой ветви реальной ВАХ

Другая причина отличия реальной ВАХ от формы (1) об­условлена падением напряжения на объемном сопротивлении базы. Эта причина проявляется при достаточно больших токах. Заметим, что сопротивление базы r_б в реальных р-п переходах обычно составляет единицы или десятки Ом. Падение напряже­ния на этом сопротивлении Ir_б является той поправкой, которую следует ввести в формулу (1), чтобы учесть различие между напряжением на самом запорном слое р-п перехода и величиной внешнего напряжения U. С учетом такой поправки получаем

 

I = I0ехр[(U - Irб)/φт].

(3)

Падение напряжения на r_б приводит к появлению на ВАХ участка, называемого омическим. При больших токах значение ∆φ₀ становится небольшим, сопротивление обедненного слоя уменьшается и уже оказывается малосущественным, следовательно, в таком случае можно рассматривать р-п переход как простую двухслойную пластину, сопротивление которой приближенно равно сопротивлению ее высокоомного слоя r_б (ρ_э«ρ_б). Необходимо отметить, что учитывать падение напряжения на r_б необходимо для значительного, иногда даже основного, рабоче­го участка ВАХр-п перехода.

Еще одна причина отличия реальной ВАХ от идеализирован­ной обусловлена модуляцией сопротивления базы при больших уровнях инжекции. Протекание больших токов определяется инжекцией большого числа носителей заряда из эмиттера в базу. В результате присутствия в базе большого числа неосновных носителей заряда ее объемное сопротивление уменьшится. Это обстоятельство делает необходимым учет влияния r_б = f(I) в формуле (1.13) для больших уровней инжекции.

Обратная ветвь ВАХ р-п перехода определяется обратным то­ком, который, как отмечалось выше, обычно довольно сильно возрастает при повышении температуры. Не останавливаясь здесь на анализе обратной ветви, рассмотрим влияние темпера­туры на прямую ветвь ВАХ р-п перехода. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ согласно (1) определяется измене­ниями I₀ и φ_т . Заметим, что при больших токах необходимо со­гласно (3) также учитывать изменение r_б. Влияние этих температурно-зависимых параметров на ВАХ приводит к тому, что при малых прямых напряжениях ток возрастает с повышением температуры, а при больших - уменьшается. В принципе су­ществует даже точка (область), где величина тока практически не зависит от температуры. Однако эта термостабильная точка редко используется на практике, поскольку имеет место при до­статочно больших уровнях инжекции. Для большинства же ре­альных устройств ток в р-п переходе несколько возрастает с по­вышением температуры (при постоянном напряжении).

На практике чаще всего принято оценивать влияние темпера­туры на ВАХ р-п перехода, определяя изменение напряжения при постоянном токе. Для оценки изменения прямого напряже­ния при изменении температуры вводится температурный коэф­фициент напряжения (ТКН), характеризующий сдвиг ВАХ по оси напряжений. Обычно ТКН имеет отрицательный знак, что знаменует собой уменьшение напряжения на р-п переходе при постоянном токе с ростом температуры. Отметим, что ТКН зависит от тока и несколько уменьшается с его ростом. Для р-п переходов из кремния ТКН достигает - 3 мВ/град.
3) Классификация полупроводниковых приборов.
  Полупроводниковые приборы – это приборы, работа которых создана на применении свойств полупроводников.

   Разделение полупроводниковых приборов показано на рис. 6. 
   У полупроводниковых резисторов и диодов имеются два вывода и они относятся к двух-электродным приборам, у транзисторов три вывода и поэтому они относятся к трех-электродным приборам. Тиристоры же бывают и двух- и трех-электродными.

  Полупроводниковые резисторы изготавливаются из изотропных полупроводниковых веществ. Электрические характеристики таких резисторов складываются электрическими качествами однородного полупроводника. В диодах применяют полупроводники с разными типами проводимости, образующих один p-n-переход. Электрические характеристики у диода зависят от электрических свойств этого p-n-перехода.
   Биполярные транзисторы имеют два p-n-перехода. Электрические характеристики таких транзисторов зависят от взаимовлияния данных переходов. В полевых транзисторах применяются полупроводники с разными типами проводимости, которые образуют только один p-n-переход. Но по сравнению с биполярными транзисторами и диодами у полевых транзисторов электрические характеристики определяются взаимовлиянием p-n-перехода с изотропным каналом.

   В тиристорах используются полупроводники с разными типами проводимости, образующих от трёх и более p-n-перехода. Эти характеристики у тиристоров зависят от взаимовлияния таких переходов.
   В фотоэлектрических приборах применяется эффект генерации света и перемена электрических характеристик полупроводниковых устройств под влиянием оптического излучения.               

Комбинированные полупроводниковые приборы состоят из несколько разных полупроводниковых  приборов, помещенных в едином корпусе. 
   Полупроводниковые микросхемы – это изделия микроэлектроники, исполняющие определенную работу преобразования и переработки сигнала, все части и соединения между ними этих изделий произведены внутри и на поверхности полупроводника.



Лекция 16. Электрические измерения и приборы
Электрические измерительные приборы – необходимые элементы электрических цепей при контроле режимов работы электрооборудования, учете электроэнергии, при экспериментальном исследовании электрических цепей, при получении достоверной информации для систем автоматического управления. 
Электрические измерительные приборы измеряют как электрические величины (ток, напряжение, мощность, cos, частоту, электрическую энергию и т.д.), так и неэлектрические величины (температуру, давление и др.). 
Электрические измерительные приборы отличаются высокой чувст-вительностью, простой конструкцией и надежностью. Показания электри-ческих измерительных приборов относительно просто передавать на дальние расстояния (телеизмерения) при автоматизации и управлении техноло-гическими процессами.

Недостатком электрических измерительных приборов является не-возможность их применения во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. 

1. Системы электрических измерительных приборов

Электрический измерительный прибор состоит из подвижной и неподвижной частей. По перемещению подвижной части измеряют значения измеряемых величин.

В зависимости от принципа действия различают системы: магнито-электрическую, электромагнитную, электродинамическую, тепловую, индукционную и др.

1.1 Магнитоэлектрическая система.


Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии поля постоянного магнита и подвижной катушки. 
На рисунке схематически показана основная часть магнитоэлектрического измерительного механизма: подвижная катушка, расположенная в сильном равномерном радиальном магнитном поле.

Подвижная катушка из тонкого медного или алюминиевого провода намотана на каркас (или без него). На оси подвижной части прибора укреплена стрелка, конец которой перемещается по шкале электрического измерительного прибора.

При протекании по катушке электрического тока согласно закону Ампера возникают силы F, стремящиеся повернуть катушку. При равенстве вращающего М_ври противодействующего М_пр моментов катушка останавливается. 
Для создания противодействующего момента и одновременно для подвода тока в катушку служат две спирали.

Общее выражение для вращающего момента имеет вид: М_вр=dW/d: где W- энергия электромагнитного поля, сосредоточенного в измерительном механизме; - угол поворота подвижной части
Энергия электромагнитного поля равна работе W по перемещению активной части провода катушки в постоянном магнитном поле с индукцией B.
Согласно закону Ампера сила F, действующая на активную часть провода катушки при протекании по ней тока I равна

где ϕ – угол между направлением тока в активной части провода и индукцией магнитного поля;l – длина активной части катушки.

В нашем случае ϕ=2/π, и sin =1

Следовательно, работа по перемещению двух активных частей провода катушки, перпендикулярных плоскости чертежа равна
 где – x=r* длина траектории активной части провода; 
r– радиус траектории; – угол поворота катушки. 

Так как противодействующий момент создается упругими элементами то можно записать:

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойства пружины.
В установившемся режиме
Следовательно угол поворота  пропорционален току I

где S –чувствительность измерительного механизма

Следовательно, у приборов магнитоэлек­трической системы шкала равномерная, что является их до­стоинством.

При измене­нии направления тока изменяется направление вращающего момента (определяемое прави­лом левой руки). При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющие­ся по значению и направлению механические силы, среднее зна­чение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нуле­вого положения. Поэтому эти при­боры нельзя применять непосредственно для измерений в це­пях переменного тока.
Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: точность показаний, малая чувствитель­ность к посторонним магнитным полям, равномерность шкалы, незначительное собственное потреб­ление мощности. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобра­зователей при измерении в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам.

1.2 Электромагнитная система




Принцип действия элек­тромагнитных приборов основан на втягивании стального сер­дечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изоли­рованной проволоки, включается в электрическую цепь . Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка,— эксцентрично укреп­лен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол a.

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для установившегося режима:


Так как угол поворота пропорционален квадрату тока, то шкала прибора неравномерная, сжата в начале шкалы.

Достоинства приборов элек­тромагнитной системы: просто­та конструкции, пригодность для изме­рения в цепях постоян­ного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостат­кам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловле­но тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его маг­нитная индукция невелика.

1.3 Электродинамическая система



Приборы этой системы состоят из двух обмоток: неподвижной 1 и подвиж­ной 2. Подвижная обмотка укреплена на оси OO' и расположе­на внутри неподвижной обмотки. На оси OO' подвижной об­мотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4',через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент М_пр, пропор­циональный углу закручивания a. Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока I₂ под­вижной обмотки с магнитным потоком Ф₁, неподвижной обмотки.

При постоянном токе электромагнитная сила F_эм, действую­щая на проводники подвижной об­мотки, пропорциональна то­ку и магнитному потоку Ф₁. Поскольку поток Ф₁ пропорцио­нален току I₁ неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален про­изведению токов обмоток: М_вр= С' Ф₁I₂ = С"I₁I₂ , где С' и С" — коэффициенты пропорциональности.

При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значе­ний токов: i_{1 =} I_1msin(ωt)  и  i_{2 =} I_2msin(ωt +ψ).
Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего мо­мента:


Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геоме­трических размеров и расположе­ния катушек; I₁ и I₂ — действующие значения токов в обмотках; ψ— угол сдвига фаз между векто­рами токов I₁ и I₂.
При равенстве моментов (M_вр = М_пр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка ука­зывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвиж­ной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют для измере­ния мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.
Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсут­ствием ферромагнитных сер­дечников) и могут быть использованы для измерения электри­ческих ве­личин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой сис­темы используются в качестве амперме­тров, вольтметров, и ваттметров.
Погрешности измерений. Номинальные величины и постоянные приборов.