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/+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 пяти 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 обємного заряду.
На границі створюється зона збіднена вільними носіями зарядів, вона називається запірним шаром.
Підключимо до p-n переходу зовнішнє поле:
Поки Езап>Езовн 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 барєрної ємності та дифузійної ємності p-n переходу. При зворотному підключенні p-n переходу основну роль відіграє барєрна 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 барєрної ємності властивості p-n переходу на високих частотах погіршуються.
Щоб зменшить барєрну 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 Io це 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 відємного потенціалу на колекторі, і у колі колектора зявляється значний колекторний струм. Незначна частина дірок рекомбінує у базі, створюючи маленький струм у базі Ік=0,95...0,98 Іе, Іе=Ік+Іб.
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 відємного потенціалу на колектор, Ік збільшується, а Іб зменшується.
Вхідна Вихідна
Коли Uке < Uбе колекторний 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 Ік=Ек/Rк;
Коли Ік=0, то Uке=Ек;
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 барєрну 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
2π
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
Івх=Іб
Uвх=Uбе
Івих=Ік
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 | |||
61514. | КОНКУРЕНЦИЯ, СПРОС И ПРЕДЛОЖЕНИЕ | 34.25 KB | |
Конкуренция борьба фирм за ограниченный объем платежеспособного спроса потребителей ведущаяся фирмами на доступных им сегментах рынка. Цена установившаяся в ходе конкурентной борьбы выполняет функцию регулирования спроса и предложения. | |||
61515. | Доврачебная помощь при травмах. (вывихи, растяжки, переломы) | 22.71 KB | |
Цель урока: Научить оказывать доврачебную помощь при травмах. Задачи урока: 1 Оказывать доврачебную помощь. 2 Оказать доврачебную помощь при вывихах 3 Оказать доврачебную помощь при растяжении... | |||
61516. | Понятие и сущность процесса обучения | 29.39 KB | |
Задачи: 1 Обучать студентов педагогического колледжа систематической работе над учебным материалом углубить получаемые знания в области педагогики; 2 Развивать мыслительную деятельность у учащихся умение применять полученные знания на практике... | |||
61517. | Технологическая подготовка производства | 14.09 KB | |
Методы ТПП: ТПП на базе единичных технологических процессов. ТПП на базе технологической унификации. Производственная система и ТПП в традиционном производстве на базе станков... | |||
61518. | Автоматизированная система ТПП (АС ТПП) | 14.29 KB | |
Автоматизированная система ТПП АС ТПП Предпосылки автоматизации инженерного труда. АС ТПП ее основные положения. Структура АС ТПП. Виды документации АС ТПП их назначение. | |||
61519. | Методика разработки ТП изготовления деталей типа «тела вращения», «корпус» в условиях ГПС. Выбор основного оборудования, транспортно-накопительных систем, технологической оснастки | 14.5 KB | |
Оно создает предпосылки для внедрения гибкой технологии и в условиях мелкосерийного производства особенно при изготовлении сложных корпусных деталей которые имеют разнообразные взаимосвязанные поверхности обрабатываемые... | |||
61520. | Построение ТП изготовления деталей в условиях ГПС | 14.82 KB | |
Построение ТП изготовления деталей в условиях ГПС Общие сведения о ГПС назначение состав и структура ГПС классификация. Разновидности ГПС по видам обработки. Технологические возможности ГПС по изготовлению различных деталей. | |||
61521. | Природные зоны. Пустыни | 18.47 KB | |
Называется она зоной пустынь. Определение расположения зоны пустынь относительно зоны степей. По завершению исследовательской работы мы должны определить основные отличия зоны пустынь от зоны степей. | |||