ID: 1403

Название работы: Перехідні процеси. Загальна характеристика. Закони комутації.

Категория: Конспект

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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

Язык: Украинкский

Дата добавления: 2012-08-07

Размер файла: 481.5 KB

Работу скачали: 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 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 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 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 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 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, 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 від’ємного 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 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

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