1403

Перехідні процеси. Загальна характеристика. Закони комутації.

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Перехідні процеси відбуваються лише у колах, до складу яких входять реактивні елементи.

Украинкский

2012-08-07

481.5 KB

68 чел.

Тема: Перехідні процеси. Загальна характеристика. Закони комутації.

Це процеси, які виникають у колі при переході від одного усталеного режиму до іншого теж усталеного.

Відбуваються перехідні процеси при комутаціях. Перехідні процеси відбуваються лише у колах, до складу яких входять реактивні елементи.

Енергія котушки:  Якщо енергія зникає:

Похідна від енергії – потужність:

Вважають, що комутації у колах відбуваються миттєво, тобто їх тривалість дорівнює нулю. t0- – момент часу перед комутацією, t0+ – момент часу після комутації. Для розрахунку перехідних процесів наряду з законами Ома та Кірхгофа використовуються два закони комутації.

I-й закон: Струм через індуктивність до комутації дорівнює струму в момент комутації і надалі починає змінюватись як раз із цього значення. іL(0-)= іL(0)= іL(0+).

II-й закон: Напруга на конденсаторі до комутації дорівнює напрузі в момент комутації, і надалі починає змінюватись як раз із цього значення. uС(0-)=uС(0)=uС(0+).

Значення струмів і напруг в колі до комутації називають початковими умовами. А значення іL(0-) та иС(0-) називають незалежними початковими умовами.

При нульових початкових умовах котушка являє собою обрив у колі, а конденсатор – коротке замкнення.

Тема: Розрахунок перехідних процесів класичним методом.

 

і=і/// де і/ = івим – вимушена складова, це такі струми і напруги, які виникають уколах, коли перехідні процеси вже давно закінчились. Вимушені складові виникають під дією зовнішніх джерел і розраховуються стандартними методами.

і//= івіл – вільна складова, яка не залежить від зовнішніх джерел, і виникає за рахунок енергії, накопиченої в реактивних елементах.

Тема: Підключення RL кола до джерела постійної ЕРС.

Шукаємо А із початкових умов (t=0). і(0)=і(0-)=0, івим(0)=E/R; івіл(0)=А. Отже:

У будь якому колі величину називають сталою часу,  

 τ характеризує тривалість перехідного процесу у колі. Перехідний процес закінчується за час   (3-5)τ. Напруга на котушці:

Тема: Підключення RC кола до джерела постійної ЕРС.

Із початкових умов (t=0):

В момент комутації при нульових початкових умовах через конденсатор виникає стрибок струму.

Тема: Підключення RLC кола до джерела постійної ЕРС.

В залежності від співвідношення

елементів R, L, C корені р1 та р2 можуть бути: 1. дійсними і різними, якщо  2. комплексно спряженими, якщо   3. Однаковими або кратними, якщо  У залежності від вигляду коренів характеристичного рівняння перехідний процес має принципово різний характер. 1. Корені дійсні і різні :

Отримуєм друге рівняння:

При t=0 маємо:

Запишемо другий закон кірхгофа для вільних складових у колі:

2. Спряжені корені характеристичного рівняння:

Вільну складову у цьому випадку шукають:  де А та ψ сталі інтегрування. Графік – синусоїда зі спадаючою по експоненті амплітудою.

Тема: Електропровідність напівпровідників

Напівпровідникові властивості мають: 1. Ge, Si, Se, Te; 2. Хімічні сполуки: сульфіди, селуніди, телуріди: CdS, PbSe. 3. Мінерали. 4. Органічні сполуки.

За величиною електропровідності до напівпровідників відносять матеріали для яких електропровідність змінюється в межах 10-10 ... 104 См/см.

Для металу ΔW=0; для напівпровідників ΔW=1-3 еВ; для діелектриків ΔW>3 еВ.

Характерна особливість напівпровідникових матеріалів це наявність носіїв зарядів двох типів: електронів та дірок.

Чисті напівпровідникові матеріали практично не використовуються.

Домішкова провідність. Введення п’яти валентного матеріалу надає кристалу надлишок електронів, матеріал отримує електропровідність n-типу (донорна домішка).

Домішки, що постачають в напівпровідник додатні заряди   називають акцепторними. Кристали отримують р-тип провідності. Для створення е/провідності того чи іншого типу концентрація домішок складає 1015 атомів/см3.

Тема: Електронно-дірковий перехід

Це зона у кристалі, яка розділяє у ньому області з провідністю різного типу.  Виникає внутрішнє електромагнітне поле об’ємного заряду.

На границі створюється зона збіднена вільними носіями зарядів, вона називається запірним шаром.

Підключимо до p-n переходу зовнішнє поле:

Поки Езапзовн – вільні носії заряду прямують до електродів з протилежним знаком, опір зменшується і через p-n перехід протікає електричний струм. Прийнято вважати це прямим підключенням. При прямому підключенні p-n перехід відкритий, його опір складає одиниці Ом.

При зворотному підключенні зовнішнє поле співпадає з полем запірного шару, тому через p-n перехід ніякого руху вільних носіїв заряду немає. Запірний шар збільшується. Це зворотне підключення, при якому p-n перехід закритий, струм через нього не протікає.

Вольт-амперна характеристика p-n переходу:

I0 – обумовлений наявністю у кристалі неосновних носіїв заряду. Дірки в р- кристалі та електрони в n- кристалі – це основні носії зарядів. Дірки в n – кристалі, а електрони в р- кристалі – це неосновні заряди.

Ділянка Д – лавинний пробій, який носить оборотний характер. На цій ділянці відбувається ударна іонізація атомів, кількість носіїв заряду лавиноподібно зростає і зростає електричний струм. При досягненні цим струмом певного значення кількість тепла I2R, що виділяється, більше того, що може віддатися, p-n перехід розігрівається, струм збільшується і відбувається тепловий пробій (Е ділянка).

Тема: Залежність ВАХ від температури та частоти

Чутливість параметрів до температури – один з основних недоліків напівпровідникових приладів. Зміна температури впливає на концентрацію неосновних носіїв зарядів. Тому найбільш чутливий до температури зворотній струм p-n переходу.

Температура погіршує вентильні властивості p-n переходу. Вентильні властивості – це здатність пропускати великий струм у прямому напрямку та мати великий опір при зворотному підключенні. Прийнято вважати для Ge, Si p-n переходів, що підвищення температури на кожні 10о С збільшує зворотній струм  у 2-2,5 рази. Прилади з Ge здатні працювати до +70 о .. 80 о С, прилади із Si здатні працювати до +150о .. 200о С.

Властивості p-n переходу залежать від частоти, через присутність бар’єрної ємності та дифузійної ємності p-n переходу. При зворотному підключенні p-n переходу основну роль відіграє бар’єрна ємність. p-n перехід за конфігурацією схожий на плоский конденсатор, у якому роль діелектрика  відіграє запірний шар з високим опором.

Ця ємність залежить від величини прикладеної напруги (вольт-фарадна характеристика), і вона не лінійна. Це явще використовують для створення напівпровідникових керованих ємностей – варикапів.

, з ростом частоти ємнісний опір зменшується, тому розглянувши схему заміщення p-n переходу при зворотному підключенні можна зробити висновок, що за рахунок бар’єрної ємності властивості p-n переходу на високих частотах погіршуються.

Щоб зменшить бар’єрну ємність необхідно зменшить площу p-n переходу. Особливо для високочастотних приладів.

При прямому підключенні p-n переходу через межу двох зон спостерігається інтенсивний рух основних носіїв заряду, і виникає так звана дифузійна ємність.

Схема еквівалентна: R0 опір p та n

областей кристала. Rпр опір відкритого p-n переходу.

Тому опір дифузійної ємності не впливає на загальний опір схеми і на роботу p-n переходу при прямому підключенні.

Тема: Напівпровідникові прилади. Загальна Характеристика.

Переваги напівпровідникових приладів: 1. малі габарити і вага; 2. висока швидкодія; 3. мала споживча потужність і відсутність кіл розжарювання; 4. високий ККД.

Недоліки: 1. залежність параметрів від температури; 2. великий розхід параметрів.

У залежності від принципу дії та призначення напівпровідникові прилади можна прокласифікувать: 1. Резистори (термо, фото, тензо); 2. Діоди (випрямні, СВЧ, світло, фото) ; 3. Транзистори (біполярні, польові); 4. Тиристори; 5. Мікросхеми.

Тема: Діоди

Це напівпровідникові прилади, які мають один p-n перехід і два виводи.

У залежності від призначення і вигляду ВАХ діоди поділяються на:

1. Випрямні 2. Стабілітрони  3. Тунельні діоди

4. Варикапи 5. Діодні тиристори    6. Фотодіоди

7. Світлодіоди

Випрямні діоди: У цих діодах використовують вентильний ефект p-n переходу. Бувають площинні та точкові – в залежності від технології.

Площинні діоди більш потужні, здатні пропускати більший прямий струм.

Потужні діоди закріплюються на радіаторах. 1 – Ge, 2 – Si. Зворотній струм Si на декілька порядків менший ніж в Ge. У Si більша пряма напруга.

Основне застосування – випрямлення змінного струму.

Однонапівперіодне випрямлення.

Постійна складова Ioце середнє значення випрямленого струму. Ці діоди характеризують граничними параметрами: 1. Io гранично-допустиме значення середньовипрямленого струму; 2. Граничнодопустима зворотна напруга Uзв мах; 3. Граничнодопустима потужність Рмах; 4. Граничнодопустима частота f.

Якщо при експлуатації випрямного діода випрямлений струм у навантаженні значно більший допустимого для діода, то можна підключати декілька діодів паралельно.

 R3 R2 R1 – для вирівнювання струмів у вітках.

Якщо зворотна напруга буде більше граничнодопустимої для діода, то діоди включаються послідовно.

Для вирівнювання зворотного опору включаються R3, R2, R1 (сотні кОм)

Стабілітрони: Виготовляють виключно із кремнію. В цих приладах використовують оборотний пробій p-n переходу при зворотному підключенні. При зворотному підключенні стабілітрона напруга на ньому залишається практично не змінною, а струм змінюється у дуже широких межах. Від Іст min до Іст max.

Це дозволяє використовувати прилад у схемах стабілізації напруг.

Баластний опір призначений для обмеження струму через стабілітрон і для того, щоб на ньому осідала уся зміна напруги на вході. Вибирають Rб таким чином, щоб струм через стабілітрон лежав приблизно посередині робочої ділянки ВАХ стабілітрона. Ділянка стабілізації є і на германієвих стабілітронах.

Параметрами стабілітрона є: 1. Uст, 2. Iст min, Iст max. 3. Rд=ΔU/ΔI.

Тунельні діоди:

Це діоди на основі германію, арсеніду галію. У процесі створення p-n переходу концентрація домішок досягає 1021 мм-3. а для звичайних p-n переходів 1015. p-n перехід створюють надзвичайно тоненьким 10-6 м. При підключенні напруги на такому тонкому p-n переході створюється напруженість поля Е=106 В/м. Напівпровідник вироджується і за своїми властивостями стає подібним до провідника. Носії заряду з рівною вірогідністю можуть знаходитись і у валентній зоні і у зоні провідності. З одним і тим самим рівнем енергії електрони можуть переходити із валентної зони в зону провідності.

 0-1 розвиток тунельного ефекту, 1-2 тунельний ефект вичерпується, 2-3 звичайна ділянка при прямому включенні p-n переходу. На ділянці 1-2 Rд=ΔU/ΔI<0;

На цій ділянці енергія не споживається. Використовують його у підсилювальних та генераторних схемах.

Параметри на графіку.

Високочастотні та імпульсні діоди:

Призначені для роботи у високочастотних або імпульсних схемах. Ці діоди повинні мати маленьку ємність. Високочастотні діоди, як правило, точкові. Радіус p-n переходу складає 5-7 мкм. Високочастотні діоди малопотужні, здатні пропускати струм в межах десятків мікроампер.

Імпульсні діоди повинні працювати в імпульсних схемах.

Вони повинні мати маленьку ємність, їх часто готують за мезатехнологією. Параметри: Час відновлення зворотного опору τзв.

Фотодіоди:

Використовують вплив випромінювання на концентрацію носіїв заряду у p-n переході. Конструктивно вони схожі на звичайні діоди, лише p-n перехід з однієї сторони закритий скляним віконцем.

Освітлення p-n переходу впливає на ВАХ.

Фотодіоди використовують при зворотному підключенні. Крім вольт-амперної характеристики є ще світлова характеристика.

Фотодіоди можуть працювати без зовнішнього джерела напруги.

Тема: Транзистори

Це напівпровідникові прилади, що мають один чи більше p-n переходів і здатний до підсилення потужності.

У залежності від конструкції та принципу дії, розрізняють біполярні та уніполярні (польові) транзистори.

У процесі переносу струму у біполярних транзисторів беруть участь носії зарядів двох знаків; у польових – одного.

Принцип дії біполярного транзистора:

Біполярний транзистор має два p-n переходи. База тоненька і кількість вільних носіїв заряду у базі значно менша ніж в інших областях.

Розрізняють такі режими роботи транзистора:

1. Емітерний перехід включається в прямому напрямі, колекторний – у зворотному (основний робочій режим).

2. Інверсний: колекторний – в прямому, емітерний – в зворотному (неробочий режим).

3. Насичення: Обидва переходи включені в прямому напрямі.

4. Відсічки: Обидва переходи включені в зворотному напрямі.

1. Включені К1 та К2 (E1< E2)

Включений відкритий емітерний перехід і через нього протікає струм відкритого p-n переходу.

2. Включені К2 та К3

Через колекторний перехід протікає маленький зворотній струм p-n переходу.

3. Включені К1, К2 та К3

Через відкритий емітерний перехід носії заряду прямують в базу (база тоненька і домішок в ній менше). Оскільки в базі носіїв заряду мало, то дірки пролітаючи базу попадають під дію від’ємного потенціалу на колекторі, і у колі колектора з’являється значний колекторний струм. Незначна частина дірок рекомбінує у базі, створюючи маленький струм у базі Ік=0,95...0,98 Іе, Іекб.

Схеми підключення.

1.Спільна база.

Коефіцієнт передачі струму

Схема струм не підсилює.

2. Спільний емітер

Схема підсилює струм у десятки разів.

3. Спільний колектор

Схема підсилює струм.

Підсилювальні властивості трьох схем включення:

Складемо схему заміщення транзистора, використовуючи його фізичні параметри.

1. Схема із спільною базою:  re=1…10 Ом, rб=сотні Ом, rк=тисячі Ом.

Вхідний опір складає одиниці-десятки Ом. Ця схема має найменший вхідний опір.

– підсилення в 10-100 разів. Схема підсилює напругу, також підсилює потужність у сотні разів.

2. Схема із спільним емітером:

Вхідний опір складає сотні Ом.

Схема із спільним емітером підсилює напругу у сотні разів. А потужність – у тисячі разів. Це найпоширеніша схема – дозволяє використовувати один блок живлення.

3. Схема із спільним колектором:

Схема напругу не підсилює. Підсилює потужність у десятки разів.

Статичні характеристики транзистора:

При подачі від’ємного потенціалу на колектор, Ік збільшується, а Іб – зменшується.

Вхідна                                   Вихідна

Коли Uке < Uбеколекторний перехід включено у прямому напрямі, тому Ік зростає.

Динамічний режим роботи транзистора:

У будь якій  підсилювальній схемі починають розрахунок роботи транзистора у колі постійної ЕРС.

Проведемо у сімействі характеристик лінію навантаження.

 

Коли Uке=0, то Ікк/Rк;

Коли Ік=0, то Uкек;

На лінії навантаження вибирають так звану робочу точку Р приблизно посередині лінії навантаження. За допомогою лінії навантаження будують так звану прохідну характеристику транзистора.

Переносимо робочу точку на вхідну характеристику транзистора:

Проаналізуємо проходження змінного сигналу зі входу на вихід підсилювача:

Фаза сигналу на виході протилежна фазі сигналу на вході.

Залежність властивостей транзистора від температури та частоти:

Підвищення температури на кожні 10о збільшує зворотній струм колекторного переходу в 2 – 2,5 рази. Для стабілізації положення робочої точки в транзисторах використовують спеціальні засоби. Залежність транзистора від частоти пояснюється наявністю ємностей p-n переходу: Високочастотні транзистои повинні мати маленьку бар’єрну ємність. На частотні властивості транзистора впливає також механізм проходження заряду через базу.

Експлуатаційні параметри транзистора:

Це ті параметри, перевищення яких не допустиме.

Iк0, Uкеmax, Iкmax, Pкmax, f, h21е;


Е2

Е1

Iк

Ie

Rн

Е1

Iб

Ik

Ie

p

n

p

k

e

К3

К2

К1

I

емітерний

перехід

колекторний

перехід

р

n

б

е

к

n-p-n тип

p-n-p тип

б

к

е

б

к

е

І

Ф

Ge

Si

1,5

1,0

0,5

І

λ, мкм

Ф2

Ф1

Ф=0

Iзв

Uзв

Uпр

Iпр

Е2

U

t

t

I0

τзв

Uпр

Uзв

2

1

0

Uзап

Uпік

Iзап

Iпік

Uзв

Iзв

Iпр

Uпр

Rб

Rн

Iстmax

Iстmin

Uст

ΔUст

Uпр

Ізв

Iпр

Iзв

D

R3

D

R2

D

R1

D

R3

D

R2

D

R1

Io

π

I1

ωt

U2

ωt

U2

U1

D

R

1500

400

2

1

Iзв

Uзв

Iпр

Uпрзв

Rпр

R0

Cдиф

U

Сбар

Cбар

Rзв

Eзап

n

p

20o

50o

Iзв

Uзв

Iпр

Uпрзв

Е

Д

А

В

Iзв

Uзв

Uпр

Iпр

I0

Eзовн

Eзап

n

p

Eзап

n

p

Ge

Ge

ΔWа

Вал.Зона

З.З

З.П

ΔWд

W

Ge

Ge

Вал.Зона

З.З

З.П

ΔW

W

τ1

τ2

i(t)

A1ep1t

A2ep2t

A1

A2

i

t

L

C

R

E

τ

ucвіл

ucвим

uc

-E

E

ic

t

uc

i

E

R

C

E

і

 UL

івіл

t

івим

 UL

і

L

R

E

C

L

R

E

Ік

Іб

Rн

Іе

Е1

Е2

Rн

Іе

Ік

Іб

Е1

Е2

Ік

Іе

Іб

rе

rб

rк

α·Iе

Rн

Ік

Іб

Іе

rб

rе

rк

Rн

α·Iб

αIб

rб

rк

rе

Rн

Uвих

Uвх

Іб

Ік

Іе

Івхб

Uвх=Uбе

Івихк

Uвих=Uке

Іб

Uбе

Uке=0

Uке=5В

Uке

Ік

Іб1

Іб2

Іб3

Іб4

Іб0

Rб

Rк

- Ек

Ср2

Т

Ср1

Uвх

Uвих

Ік

Iкp

Uкep

Eк

Uкemax

Ік

Uке

Ікmax

P

Eк/Rк

Іб0

Іб1

Іб4

Іб3

Іб2

Іб5

Іб

Ік

Іб5

Іб4

Іб3

Іб2

Іб1

Ік1

Ік2

Ік3

Ік4

Ік5

Uбе

Іб

Ібр

Р

Р

Uкер

Ікр

Ібр

Uбер

Uбе

Іб

Іб

Ік

Ік

Uке

rе

Сбар

rк

rб

Іб0

Іб4

Іб3

Іб2

Іб1

Uке

Ік

Сдиф

Eзовн

Eзап

n

p


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10338. Воспитательная система: сущность, структура, функции, динамика. Взаимодействие дидактической и воспитательной подсистем школы 42 KB
  Воспитательная система: сущность структура функции динамика. Взаимодействие дидактической и воспитательной подсистем школы. Отечественные и зарубежные воспитательные системы В.А. Караковский А.А. Захаренко Р. Штайнер М. Монтессори. Проектирование психологически ко
10339. Семья и ее воспитательные возможности. Школа и семья как институты социализации. Проблемы современной семьи 60.5 KB
  Семья и ее воспитательные возможности. Школа и семья как институты социализации. Проблемы современной семьи. Психологическая характеристика стилей семейного воспитания. Модели семьи. Содержание формы и методы взаимодействия школы и семьи в целостном педагогическом про...
10340. Целостный педагогический процесс, его структура, закономерности и принципы. Психолого-педагогические основы гуманизации обучения и воспитания 60 KB
  Целостный педагогический процесс его структура закономерности и принципы. Психологопедагогические основы гуманизации обучения и воспитания. Развитие субъектности школьника его ценностносмысловой сферы в ЦПП. Целостный педагогический процесс ЦПП это специальн
10341. Дидактика как теория образования и обучения, ее современные проблемы. Психология обучения (В.В. Давыдов, Д.Б. Эльконин) 73 KB
  Дидактика как теория образования и обучения ее современные проблемы. Психология обучения В.В. Давыдов Д.Б. Эльконин. Соотношение психологии обучения и дидактики. Когнитивная сфера личности как основа процесса обучения. Проблема соотношения обучения и развития в истори
10342. Теоретические основы, структура и функции процесса обучения. Закономерности и принципы обучения. Обучение как преподавание и как учение 75 KB
  Теоретические основы структура и функции процесса обучения. Закономерности и принципы обучения. Обучение как преподавание и как учение. Деятельность учителя в учебном процессе. Педагогические способности и их характеристика Н.В. Кузьмина А.К. Маркова. Технология проек
10343. Психологические основы деятельности учащихся в процессе обучения. Учебная деятельность, ее внешняя и внутренняя структура 67 KB
  Психологические основы деятельности учащихся в процессе обучения. Учебная деятельность ее внешняя и внутренняя структура. Формирование мотивов учения А.Б. Орлов А.К. Маркова. Диагностика учебной деятельности учащихся. Психокоррекционная работа с детьми. Обучение...
10344. Научные основы содержания общего образования. Современные концепции содержания образования (М.Н. Скаткин, И.Я. Лернер, В.В. Краевский) 71 KB
  Научные основы содержания общего образования. Современные концепции содержания образования М.Н. Скаткин И.Я. Лернер В.В. Краевский. Стандартизация образования. Психологопедагогические аспекты компетентностного подхода к отбору содержания образования. Базисный учебн
10345. Закономерности и принципы обучения. Принципы обучения в педагогических теориях Я.А. Коменского, К.Д. Ушинского, Л.Н.Толстого. 66.5 KB
  Закономерности и принципы обучения. Принципы обучения в педагогических теориях Я.А. Коменского К.Д. Ушинского Л.Н.Толстого. Психологическое обоснование дидактических принципов. Система принципов обучения в современной дидактике их реализация в практической работе учи
10346. Характеристика основных положений теории проблемно-развивающего и модульного обучения 77 KB
  Характеристика основных положений теории проблемно-развивающего и модульного обучения И.Я. Лернер М.Н. Скаткин М.И. Махмутов А.М Матюшкин Л.В. Занков В.В. Давыдов Д.Б. Эльконин и др.. Общая характеристика мышления понятие виды формы мыслительные операции. В практике