Раздел 1. Электронные приборы

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине
ОП.04. Электроника и микропроцессорная техника

базовая подготовка

Специальность: 23.02.06 Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог

 Профиль: технический

Квалификация выпускника: техник

Форма обучения: очная; заочная

 

Воронеж 2018 г.

 

Автор-составитель преподаватель высшей категории Гукова Н.С.

_{(уч. звание, должность, Ф.И.О)}

предлагает курс лекций дисциплины ОП.04. Электроника и микропроцессорная техника

_{(код по учебному плану и название дисциплины)}

в качестве материала для реализации основной образовательной программы –программы подготовки специалистов среднего звена филиала РГУПС в г. Воронеж и осуществления учебно-воспитательного процесса в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 22.04.2014 г. № 388

для специальности: 23.02.06 Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог.

Учебный план по основной образовательной программе –программе подготовки специалистов среднего звена утвержден директором филиала РГУПС в г. Воронеж от 31.08 2018г.

Курс лекций дисциплины рассмотрен на заседании цикловой комиссии общепрофессиональных дисциплин

Председатель цикловой комиссии_________________________ Гукова Н.С.

                                                                                                  _{(подпись)                             (Ф.И.О.)}

Рецензент курса лекций  Андреещева Е.Ф.

_{(Ф.И.О рецензента)}

Преподаватель ВКК филиала РГУПС в г.Воронеж

_{(уч. звание, должность)}

_{(основное место работы)}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 1. Электронные приборы

Электронно-дырочный переход

       Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной. Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.

Вследствие большой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области происходит диффузия основных носителей заряда через границу p-n перехода. В тонком приграничном слое полупроводника n - типа возникает положительный объемный заряд, а в слое полупроводника p-типа – объемный отрицательный заряд. Между разноименно заряженными слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью E_пер., которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу.

Если подать на p-область положительный потенциал, а на n-область отрицательный, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу внутреннему полю p-n перехода. Под действием этого поля уменьшится потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением основных носителей заряда, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания. Такой ток называется прямым током, а включение p-n перехода соответственно прямым включением.

Если подать на p-область отрицательный потенциал, а на n-область положительный, получим внешнее электрическое поле, направленное в ту же сторону, что и внутреннее поле p-n перехода. Под действием этого поля потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода возрастут. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, который будет очень мал, и в ряде практических случаев может считаться равным нулю. Такой ток называется обратным током, а включение p-n перехода соответственно обратным включением.

Исходя их вышесказанного, можно сказать, что p-n переход обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть обладает вентильными (выпрямляющими) свойствами.

Вентильные свойства p-n перехода отображаются его вольт-амперной характеристикой (зависимостью тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения) (рис.2.1.2). Зависимость прямого тока от прямого напряжения называется прямой ветвью вольт-амперной характеристики, зависимость обратного тока от обратного напряжения – обратной ветвью.

  На прямой ветви видно, что зависимость тока от напряжения вначале имеет нелинейный характер. Это происходит до тех пор, пока внешнее поле полностью не скомпенсирует внутреннее поле p-n перехода. Далее зависимость прямого тока от напряжения становится практически линейной. Обратная ветвь показывает, что при приложении обратного напряжения ток очень мал и довольно быстро перестает возрастать, несмотря на увеличение обратного напряжения. Это обусловлено малым количеством неосновных носителей заряда. При достижении обратным напряжением некоторого критического значения происходит резкое возрастание обратного тока. Напряжение при этом остается неизменным. Этот режим называется пробоем p-n перехода. Различается два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой возникает под действием ударной ионизации атомов и туннельного эффекта. Ударная ионизация заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны приобретают энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает. Туннельный эффект выражается тем, что электрон преодолевает потенциальный барьер без потери энергии. При увеличении обратного напряжения вероятность таких переходов возрастает и ток увеличивается. Электрический пробойне опасен для p-n перехода.При отключении источника обратного напряжения его свойства восстанавливаются. Тепловой пробой происходит при недостаточном охлаждении кристалла. Повышение температуры приводит к тепловой генерации носителей заряда, ток возрастает, что приводит к дельнейшему увеличению температуры. При этом кристалл разрушается. Для уменьшения вероятности теплового пробоя приборы снабжаются устройствами, улучшающими теплоотдачу.

Тема 1.3. Тиристоры

Эти приборы появились уже после изобретения транзистора и быстро нашли свое место в электронной силовой технике. Тиристорные регуляторы применяются для преобразования электрической энергии, для управления мощными электродвигателями, нагревателями и другими нагрузками в автоматических системах. Они позволяют коммутировать большие токи при минимальной мощности управления, и наиболее устойчивы к перегрузкам.

       Динистор – двухэлектродный прибор, имеющий три р-п перехода.

N

Р

Р

N

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

UВКЛ

IУД.

 

 

       В обычном состоянии динистор ведет себя как диод, включенный в обратном направлении, т.е. он не проводит ток, причем не проводит в обе стороны. Однако это имеет место до определенного предела. Если в схеме повышать напряжение до напряжения включения, динистор отроется и его сопротивление скачком станет маленьким. При открывании через динистор потечет ток, и напряжение на нем (в открытом состоянии) установится на уровне 1,4 В. Чтобы закрыть динистор, требуется снизить ток до уровня тока удержания. Обратное включение динистора не имеет смысла, т.к. в этом положении его свойства не проявляются.

       Практически динистор используется в схемах генераторов назкочастотных импульсов, в качестве порогового элемента, срабатывающего при определенном напряжении.

 

   

 

 

       Тринистор – прибор, имеющий три р-п перехода и три вывода (анод, катод и управляющий электрод).

N

Р

Р

N

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

UВКЛ

IУД.

UВКЛ2

UВКЛ1

 

       Если между катодом и управляющим электродом тринистора включить дополнительный источник питания, напряжение включения будет снижаться. При определенном напряжении на управляющем электроде тринистор откроется сразу, и вольт-амперная характеристика будет такой же, как у обычного диода.

       Симистор – симметричный тиристор, который может работать при обоих полярностях напряжения (пропускает ток в оба направлениях).

IОБР.

IПР

UПР

UОБР.

 

 

        

       Условные обозначения динистора и тринистора показаны на рис.

Тема 1.4. Транзисторы

       Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, три вывода, который может служить для усиления переменных сигналов. Биполярным транзистор называется потому, что в создании токов транзистора участвуют носители заряда двух полярностей (электроны и дырки).

       Для создания биполярного транзистора в пластину полупроводника n – типа вплавляют с двух сторон таблетки акцепторной примеси. При этом в объеме полупроводника возле акцепторной примеси образуются две области p – типа, разделенные тонким слоем полупроводника n – типа. Таким образом, в биполярном транзисторе сформированы два p-n перехода, один из которых называется эмиттерным, а другой - коллекторным. Соответственно области (и выводы) биполярного транзистора носят названия: эмиттер, коллектор, база. Толщина базовой области, разделяющей эмиттер и коллектор, должна очень малой (порядка единиц микрометра). Такой транзистор называется биполярным p - n - p транзистором. Основными носителями заряда в таком транзисторе являются дырки, а неосновными – электроны. Если в качестве базы использовать полупроводник p-типа, а эмиттер и коллектор выполнить при помощи диффузии донорной примеси, то получим биполярный n - p - n транзистор, основными носителями заряда в котором будут электроны, а неосновными – дырки. Обозначение биполярных транзисторов на схеме показано на рис.2.1.4,а.

       Если подать на p-n-p транзистор питание, как показано на рис.2.1.4,б, то можно утверждать, что эмиттерный p-n переход транзистора включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом концентрация дырок в эмиттерной области много больше концентрации электронов в базе. Прямое сопротивление эмиттерного перехода мало, поэтому ток, идущий из эмиттера в базу I_э, обусловленный движением основных носителей заряда, сравнительно велик. В базе незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами, убыль которых восполняется электронами, поступающими из внешней цепи и образующими ток базы I_б. В базе основная часть дырок продолжает движение к коллектору и под действием электрического поля (обратного для коллекторного перехода) проходит через границу в коллектор. Таким образом, возникает коллекторный ток I_к=I_э – I_б.

       Возможны три основные схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых имеет свои усилительные свойства.

       Схема включения транзистора с общей базой показана на рис.2.1.5,а. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой не усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Усиление напряжения в схеме с общей базой происходит за счет разности входного и выходного сопротивлений. Входным сопротивлением является малое сопротивление эмиттерного p-n перехода, включенного в прямом направлении, а выходным - большое сопротивление коллекторного p-n перехода, включенного в обратном направлении.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

Схема включения транзистора с общим эмиттером показана на рис.2.1.5,б. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_б, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Как видно из приведенного выше, схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером усиливает переменный сигнал по току, напряжению и мощности, то есть, обладает наилучшими усилительными свойствами.

Схема включения транзистора с общим коллектором показана на рис.2.1.5,в. Как видно, входным током в данной схеме является ток базы I_б, а выходным – ток эмиттера I_э. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общим коллектором усиливает ток.

       Входное напряжение подается между коллектором и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема не усиливает напряжение.

       Отсутствие усиления напряжения в схеме с общим коллектором происходит за счет того, что входное сопротивление данной схемы велико, а выходное - мало. Поэтому произведение входного тока на сопротивление примерно равно произведению выходного тока на сопротивление. 

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором называется также эмиттерным повторителем напряжения.

       Характеристики выражают зависимость между напряжениями и токами в цепях транзистора. На рис.2.1.6,а представлены входные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Они представляют собой зависимость входного тока (тока эмиттера) от напряжения на входе (между эмиттером и базой) при неизменном напряжении между коллектором и базой. Как видно из рисунка, при отсутствии напряжения на коллекторе характеристика представляет собой график, аналогичный прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода. При подаче отрицательного напряжения на коллектор характеристика смещается влево из-за незначительного увеличения эмиттерного тока вследствие влияния поля, созданного напряжением на коллекторе на эмиттерный переход.

       Выходные характеристики, показанные на рис.2.1.6,б, представляют собой зависимость выходного тока транзистора (тока коллектора) от выходного напряжения (между коллектором и базой) при неизменном токе эмиттера. Как видно из рисунка, напряжение между коллектором и базой слабо влияет на коллекторный ток, так как в основном он зависит от количества носителей заряда, впрыскиваемых из эмиттера в базу, то есть от тока эмиттера.

       Обозначение полупроводниковых транзисторов имеет пять элементов.. Первый элемент – это буква, указывающая на исходный материал (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия). Второй элемент – буква, указывающая на тип прибора (Т– транзистор). Третий элемент – число, указывающее назначение прибора (1 – транзистор малой мощности низкой частоты, 2 – транзистор малой мощности средней частоты, 3 – транзистор малой мощности высокой частоты, 4 – транзистор средней мощности низкой частоты, 5 – транзистор средней мощности средней частоты, 6 – транзистор средней мощности высокой частоты, 7 – транзистор большой мощности низкой частоты, 8 – транзистор большой мощности средней частоты, 9 – транзистор большой мощности высокой частоты). Четвертый элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки прибора (от 1 д 99). Пятый элемент – буква, обозначающая деление технологического цикла на группы (от А до Я).

       Например: КТ540А – кремниевый транзистор средней мощности, средней частоты, номер разработки 40, группа А.

 

Усилители низкой частоты

       Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве (обмотка реле, катушка измерительного прибора и т.д.). Источниками входного сигнала могут быть звукосниматель, фотоэлемент и т.д. Как правило, входной сигнал довольно мал, и его значения недостаточно для нормальной работы усилителя. Поэтому перед усилителем мощности включается один или несколько предварительных усилительных каскадов, выполняющих функции усилителя напряжения.

Схема резистивного усилителя с общим эмиттером представлена на рис.2.5.1.

Входное напряжение подается между базой и эмиттером транзистора через разделительный конденсатор C_р1, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей. Значение постоянной составляющей определяется напряжением источника E_к и сопротивлением резистора R_б. Изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R_н. Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки усиленное по амплитуде падение напряжения.

Усилители постоянного тока

       Усилители постоянного тока предназначены для усиления медленно меняющегося напряжения постоянного тока. В таких усилителях связь между усилительными каскадами осуществляется только через активное сопротивление. Невозможность использования в усилителях постоянного тока трансформаторов и конденсаторов приводит к тому, что всякое изменение постоянного напряжения на входе одного каскада усиливается всеми последующими каскадами. То есть, любой фактор, вызывающий перераспределение постоянных потенциалов в цепях усилителя, может создать на выходе усилителя эффект, равноценный действию рабочего сигнала. Самопроизвольное отклонение напряжения на выходе усилителя постоянного тока от начального значения называется дрейфом нуля усилителя и ограничивает применение усилителей постоянного тока. Основными причинами, вызывающими дрейф нуля, являются нестабильность источников питания, изменение входных и выходных параметров транзисторов с течением времени. Для снижения дрейфа нуля применяют балансные схемы усилителей постоянного тока.

       Схема параллельно-балансного транзисторного усилителя постоянного тока (рис.2.5.2.) представляет собой мост, двумя плечами которого являются коллекторные сопротивления R_к1 и R_к2, а двумя другими – транзисторы. В диагональ моста включено сопротивление нагрузки R_нагр.. Для стабилизации рабочих режимов транзисторов применяются делители напряжения R₁ и R₂ и эмиттерные сопротивления R_э, обеспечивающие отрицательную обратную связь по току. При подборе одинаковых транзисторов и резисторов можно добиться того, что разность напряжений между коллекторами частично открытых транзисторов при отсутствии сходного сигнала будет равна нулю. При подаче на входы разнополярных сигналов увеличивается коллекторный ток первого и уменьшается коллекторный ток второго транзисторов. При этом потенциал коллектора первого транзистора будет выше потенциала коллектора второго транзистора, в результате чего на нагрузке образуется выходное напряжение, равное разности потенциалов между точками К1 и К2.

Сумматоры.

Сумматором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для выполнения операции арифметического сложения чисел, представленных в виде двоичных кодов.

Сумматор является одним из основных узлов арифметико-логического устройства.

Классификация сумматоров.

Полусумматором называется устройство, предназначенное для сложения двух одноразрядных кодов, имеющее два входа и два выхода и формирующее из сигналов входных слагаемых сигналы суммы и переноса в старший разряд.

Одноразрядным сумматором называется устройство, предназначенное для сложения двух одноразрядных кодов, имеющее три входа и два выхода, и формирующее из сигналов входных слагаемых и сигнала переноса из младших разрядов сигналы сумы и переноса в старший разряд.

Многоразрядным сумматором называется устройство, предназначенное для сложения двух многоразрядных кодов, формирующее на выходе код суммы и сигнал переноса в случае, если результат сложения не может быть представлен кодом, разрядность которого совпадает с разрядностью кодов слагаемых.

В свою очередь многоразрядные сумматоры подразделяются на последовательные и параллельные. В последовательных сумматорах операция сложения выполняется последовательно разряд за разрядом, начиная с младшего. В параллельных все разряды входных кодов суммируются одновременно.

 

                        Обозначение одноразрядного сумматора.

SM

Pi

Pi+1

Si

Bi

Ai

0

0

0

1

1

 

A_i,B_i – цифры слагаемых;

Р_i – перенос;

S_i – сумма;

Р_i+1 – перенос в следующий разряд.

Таблица функционирования

Входы

Выходы