Практическая значимость разработки.

Учебно-методическое пособие используется на лабораторно ‑ практических занятиях учебной дисциплины «Электротехника и электроника» для специальности 15.02.14 «Оснащение средствами автоматизации технологических процессов и производств (по отраслям)» укрупненной группы специальностей 15.00.00 Машиностроение.

Учебно-методическое пособие может быть использовано преподавателями и мастерами производственного обучения при проведении своих занятий и в качестве образца при разработке учебно-методических пособий.

Обоснование соответствия нормативно-правовым актам.

Федеральный закон от 29 декабря 2012 г. №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации»;

Приказ Минтруда России от 02 ноября 2015 г. № 831 «Об утвержден списка 50 наиболее востребованных на рынке труда, новых и перспективных профессий»;

Приказ Минобрнауки России от 23 декабря 2016 г. N 1582 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 15.02.14 Оснащение средствами автоматизации технологических процессов и производств (по отраслям)»;

Письмо Минобрнауки России от 20.02.2017 г. № 06-156 "О методических рекомендациях"

 

ВВЕДЕНИЕ
УВАЖАЕМЫЙ СТУДЕНТ!

Интенсивное развитие электроники продолжается в настоящее время. Обновляется ее компонентная база, разрабатываются новые электронные устройства. Для их освоения и грамотного использования необходима достаточно глубокая подготовка. Специалисты различных направлений должны иметь представление об используемой базе и принципах работы аналоговых, цифровых и программируемых устройств электроники. Именно эти вопросы и рассматриваются в учебном пособии. Выполнение заданий самостоятельной работы поможет Вам одновременно решить несколько довольно сложных вопросов, которые часто возникают у студентов:

- уметь определять компонент электроники;

- выработать умение читать схемы;

- научиться анализировать и интерпретировать вольт - амперные характеристики устройств;

- закреплять понимание определенных понятий, связанных с практическими заданиями.

Наличие положительной оценки по самостоятельным работам необходимо для получения допуска к зачету по дисциплине, поэтому в случае отсутствия на уроке по любой причине или получения неудовлетворительной оценки за работу Вы должны найти время для ее выполнения или пересдачи.

Желаем Вам успехов!!!

 

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

В настоящее время во всех отраслях промышленности и в быту широко используются электронные устройства. Причем тенденция такова, что среди них увеличивается доля информационных устройств и систем автоматики. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных, не требующих специальной настройки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.

Электроника имеет короткую, но богатую собственную историю, которая составляет чуть более 100 лет. Первый ее период связан с эпохой вакуумных ламп и появлением чуть позже ионных приборов. На их основе были разработаны различные электронные устройства. Совершенствование этих устройств шло долгие годы. При этом появились радиотехника, телевидение, электронные вычислительные машины и многое другое.

Создание в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых диодов и транзисторов позволило сделать электронные устройства более надежными, компактными, потребляющими значительно меньше электрической энергии. Появился новый модульный принцип конструирования электронной аппаратуры. Модули, а в дальнейшем микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники, или микроэлектроники.

Совершенствование технологии изготовления интегральных микросхем позволило увеличить плотность упаковки электронных компонентов, расположив их на одном кристалле. Если плотность упаковки вакуумной техники оценивалась величиной 0,3 элемента в 1 см³, транзисторной – 2,5 эл/см³, то плотность упаковки в интегральных микросхемах достигла многих тысяч элементов. При этом предельное число транзисторов в одной микросхеме уже превышает миллионы.

В современных электронных устройствах, в основном, применяют полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и интегральные микросхемы. В отличие от пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, дросселей– их называют активными элементами. В последнее время все чаще резисторы и конденсаторы выполняют как полупроводниковые элементы в составе интегральных микросхем или в виде отдельных сборок.

 

Тема 1 Диоды

Диод[1] – двухэлектродный полупроводниковый прибор (ППП) с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока.

Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, магнито-, тензо-, фото-, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды.

Принцип работы выпрямительных диодов:

Работа диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рисунке 1.1 показаны условное графическое обозначение (УГО) диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

А

К

VD

I

U ак

I,А

U обр, В

Область электрического пробоя

Прямая ветвь

Обратная ветвь

Рисунок 1.1. Полупроводниковый диод: а – условное графическое изображение;  б – идеальная ВАХ; в – реальная ВАХ

I, мкА

а)

1

10

100

1

U пр,В

б)

в)

0

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150-200 °С против 80-100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60-80 А/см2 против 20-40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от Ge, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам Ge-диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3-0,6 В против 0,8-1,2 В).

Кроме названных ПП материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Полупроводниковые (ПП) диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечный диод [2]образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5…1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).

Плоскостной диод [3]состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max;

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max;

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА;

– средней мощности, прямой ток 300 мА-10 А;

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, …1600 А.

Импульсные диоды [4]применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1-100 мкс).

УГО импульсных диодов такое же, как у выпрямительных диодов.

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся:

I

Imax

Imin

U пр

Рисунок 1.2. УГО и ВАХ туннельных диодов

– время восстановления Tвосст – это интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток уменьшится до заданного значения;

– время установления Tуст – это интервал времени между началом протекания через диод прямого тока заданной величины и моментом, когда напряжение на диоде достигнет установившегося значения;

– максимальный ток восстановления Iобр.имп.макс., равный наибольшему значению обратного тока через диод после переключения напряжения с прямого на обратное (рис 1.2,а).

I, м А

2

1

0,1

U, В

0,4

0,2

3

2

1

Рисунок 1.3. УГО и ВАХ обращенных диодов  обращенных диодов

0

Туннельные диоды применяют в качестве переключателей, усилителей или генераторов колебаний, поскольку ВАХ этих диодов (рис. 1.3) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При этом частота переключений может достигать 40 ГГц. Для получения туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень большим содержанием примесей и добиваются очень малой ширины p–n-перехода (на два порядка меньше, чем у обычных плоскостных выпрямительных диодов).

Рисунок 1.4. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния; 2 – эпитаксиальный слой высокоомного  кремния; 3 – область объемного заряда; 4 – металлический контакт

2

4

3

1

Обращенные диоды [5]получают при концентрации примесей в p- и n-областях меньшей, чем у туннельных диодов, но большей, чем у обычных выпрямительных диодов. Такой диод оказывает малое сопротивление проходящему току при обратном включении (рис.1.3) и сравнительно большое сопротивление при прямом включении. Поэтому их применяют при выпрямлении малых сигналов с амплитудой напряжения в несколько десятых вольта.

Диоды Шоттки [6]получают, используя переход металл-полупроводник. При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того же полупроводника (рис.1.4).

На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1-20 пФ). Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Их используют для стабилизации напряжения.

Рабочим участком на ВАХ стабилитрона является зона электрического пробоя (рисунок 1.5).

Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний.

I

U

D U ст

I ст.мин

I ст.макс

Рисунок 1.5. ВАХ стабилитрона

Рабочий участок

Основные параметры стабилитрона:

– напряжение стабилизации Uст;

–дифференциальное сопротивление на участке стабилизации Rд= dUст/dIст;

–минимальный и максимальный токи стабилизации Iст.мин и Iст.макс. Минимальный ток стабилизации обусловлен нелинейностью обратной ветви ВАХ, максимальный – допустимой температурой кристалла;

–температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации, показывающий на сколько (в процентах) изменится Uст при изменении температуры кристалла на 1 °С (прил.2):

TKU=dUст/UdT∙100 %

Промышленностью выпускается стабилитроны с Uст=1-1000 В, Iст.мин= 0,2-10 мА. На участке стабилизации Rд»const и составляет 0,5-200 Ом.

Варикапы[7]. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкость диода зависит от величины обратного напряжения (рис.1.6). Основными параметрами варикапа являются общая емкость С, фиксируемая обычно при небольшом обратном напряжении 2…5 В, и коэффициент перекрытия по емкости Кс = Смакс /Смин при двух заданных значениях обратных напряжений. В большинстве случаев С=10-500 пФ и Кс=5-20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

-30

Рисунок 1.6. Зависимость емкости от обратного напряжения и УГО варикапа

С,пФ

0

-20

-10

10

20

U,В