Излучающие полупроводниковые приборы.

Всегда включаются в прямом направлении.

Светодиодами называются полупроводниковые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическую лучистую энергию некогерентного светового излучения.

 

 

При приложении к светодиоду прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда, которая в сочетании с рекомбинацией с неосновными носителями вызывает излучение.

Основные параметры:

1. сила света (десятые доли÷единицы мКанделл);
2. яркость (десятки÷сотни Кандел на кв.см);
3. постоянное прямое напряжение ;
4. цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку;
5. максимально допустимый постоянный прямой ток (десятки мА);
6. максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

 

Используются: в оптических линиях связи, индикаторных устройствах, оптопарах.

 

В лазерном диоде происходит одновременный спонтанный переход электронов с одного энергетического уровня на другой с излучением кванта света. Отличаются высокой направленностью и когерентностью – узкой спектральной полосой – и высокой синфазностью излученной электромагнитной волны.

 

Всем излучающим ПП элементам свойственна деградация.

Диапазон спектральной чувствительности ПП элементов:

 

Оптроны – это полупроводниковые приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой только оптическую связь.

Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, то он называется оптопарой.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Достоинства:

• отсутствие электрической связи между входом и выходом;
• широкая полоса частот от 0 Гц до Гц;
• высокая помехозащищенность оптического канала.

Недостатки:

• относительно большая потребляемая мощность и невысокий КПД;
• низкая температурная стабильность;
• ухудшение параметров с течением времени.

Используются: для гальванической развязки управляющих и силовых цепей в различных системах автоматизации, в ключевых источниках питания, в системах АРУ (автоматическое регулирование усиления).

 

Системы динамической индикации используются с целью уменьшения количества внешних выводов многоразрядных индикаторов. Применяются схемы динамической индикации, в которых в первый момент времени на катоды всех разрядов подается код первой цифры, а питающее напряжение подается только на аноды первого разряда. В следующий момент времени на параллельно соединенные катоды подается код 2-й цепи, но питающее напряжение подается только на аноды 2-го разряда (остальные погашены). Мерцание устраняется выбором достаточно высокой частоты переключения.

Знакосинтезирующий цифробуквенный индикатор

Для 12 разрядного индикатора при непосредственном подключении необходимо 12*8+1=97 выводов. Количество выводов можно уменьшить, если аноды индикаторов (для индикаторов с общим анодом) соединить с дешифратором номера цифры. Катоды одноименных сегментов всех индикаторов соединяются вместе и подключаются к выходам дешифратора цифры. Цифра числа подается на все индикаторы, но загораться будет тот, на анод которого подано напряжение от дешифратора номера цифры.

Количество выводов = 8+12=20. Выбирая достаточно большой частоту переключения, мы не замечаем мерцания, однако яркость уменьшается в n раз, где n – количество индикаторов.

 

 

Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах

 

Тиристор –п/п прибор с тремя и более р-n переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Тиристоры бывают:

· диодные (динисторы) и триодные (тринисторы)

· с управлением по катоду и по аноду

· незапираемые и запираемые

 

Для использования в цепях переменного тока были разработаны триаки – симметричные тиристоры.

 

 

Структура тиристора

Тиристор имеет А(анод), К(катод) и две базы, к одной из которых подключается управляющий электрод. В результате получаем управление по аноду или по катоду. Для понимания работы тиристора можно воспользоваться 2-хтранзисторной моделью работы тиристора. В которой тиристор представлен как соединение 2-х транзисторов с разными типами проводимостей. Коллектор каждого из этих транзисторов соединен с базой другого.

, где - статический коэффициент передачи тока эмиттера, - обратный ток перехода коллектор-база.

. Так как , где .

При малых напряжениях анод - катод через транзистор протекают токи утечки коллекторных переходов. Пока эти токи малы и коэффициент усиления меньше единицы транзистор остается закрытым. При увеличении этого напряжения токи утечки возрастают, коэффициент усиления по току транзистора начинает превышать единицу и так как коллекторный ток одного из транзистора является базовым током другого и наоборот, происходит лавинообразное открывание обоих.

Наличие управляющего электрода позволяет извне подавать ток, необходимый для открывания тиристоров.

 

 

На ВАХ тиристора можно выделить несколько областей с соответствующими режимами работы:

Режим 1 – (0-1) - режим прямого запирания - напряжение на аноде положительно относительно катода, ток незначителен.

Режим 2 – (1-2) - участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Он начинается в т.ВАХ, где , напряжение в этой точке называется напряжением включения , а ток через прибор – током включения .

Режим 3 – (2-3) – режим прямой проводимости. Он начинается в т.2. Напряжение в этой точке называется напряжением удержания , а ток-током удержания . Это минимальные напряжение и ток, необходимые для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Режим 4 – (0-4) – режим обратного запирания, когда напряжение анода относительно катода отрицательно.

Режим 5 – (4-5) – режим обратного пробоя.

По способу управления резисторы бывают однооперационными – выключение которых осуществляется снижением анодного тока ниже тока удержания или за счет включения анодного тока противоположного направления, и двухоперационными, которые включаются подачей на УЭ положительного напряжения, а выключается подачей на этот электрод импульса отрицательной полярности.

Основными параметрами тиристоров являются:

напряжение и ток включения;

 

ток выключения (удержания);

максимально допустимый ток в открытом состоянии;

время задержки включения и выключения;

класс по напряжению, под которым понимается предельное эксплуатационное напряжение в сотнях вольт, не вызывающее самопроизвольного включения тиристора или разрушения его структуры.

 

Например:

2Y206A – тиристор p-n-p-n -запираемый. при токе

 

КУ108В – тиристор незапираемый.

при токе

Для запирания незапираемого тиристора недостаточно уменьшить либо инвертировать напряжение на управляющем электроде. Необходимо также либо снизить до нуля, либо инвертировать напряжение на аноде, или, по крайней мере, уменьшить ток анода ниже тока удержания (до каких величин в справочниках не указывается). Запираемый тиристор можно закрыть подачей только на управляющий электрод запираемого тока, сравнимого по величине только с током анода.

Есть I_ауд (ток анода удержания), при котором тиристор удерживается открытым (минимальный ток). В схеме с объединенными катодами можно подавать управляющий сигнал от одного устройства управления на оба электрода, разделенные диодами. При этом будет открываться тиристор, смещенный в прямом направлении.

Использование тиристоров на постоянном токе:

 

Подачей напряжения на УЭ VD1 отпираем его. Конденсатор заряжается в указанной полярности. Затем подаем напряжение на УЭ VD2, он отпирается, и напряжение на конденсаторе запирает VD1.

Ток конденсатора должен быть больше тока удержания, чтобы тиристор закрылся. VD2 запирается за счет выбора R2 такой величины, чтобы ток анода VD2 был меньше тока удержания. Длительность формируемого импульса определяется R_н, L, C.

 

 

Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера

 

Биполярные транзисторы – п/п пробор, имеющий три зоны и два p-n-перехода. Прямосмещенный эмиттерный p-n-переход ускоряет электроны из эмиттера в базу. Если база узкая – меньше диффузионной длины – и электрон не успевает рекомбинировать в базе, он пролетает через базу в коллектор, ускоряясь положительным напряжением последнего. Изменяя прямое напряжение эмиттер-база, мы изменяем количество электронов, впрыскиваемых в базу из эмиттера, а значит и ток коллектора.

В усилительном режиме работы транзистора, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Эмиттерный переход сильно легирован, коллектор - обеднен. Коллекторный переход должен быть равномерно легирован и в меньшей степени, чем эмиттер, с целью увеличения пробивного напряжения коллектор-база.

I_э = I_к+I_б (Так как ток коллектора во много раз больше тока базы, то токи эмиттера и коллектора приближенно равны).

Статические характеристики:

Биполярный транзистор - (в процессе переноса заряда участвуют электроны и дырки) п/п прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, которые служат для усиления или переключения входного сигнала. По порядку чередования переходов различают - р-п-р и п-р-п. Различие у них в полярности подключения источника питания.

Схемы включения БПТ

В режиме работы класса А рабочая точка находится в середине линейного участка проходной характеристики.

Схема с ОБ:

Рабочая точка задается делителями R₁ и R_2.

U_бэ = U_б - U_э

U_к = U_п - U_Rк

Схема с общей базой не инвертирует фазу сигнала, имеет коэффициент усиления по току h₂₁ < 1, (т к отношение тока коллектора к току эмиттера меньше единицы), коэффициент усиления по напряжению во много раз превышает единицу:

–– зависит от сопротивления источника сигнала.

Входное сопротивление мало. Оно определяется низким сопротивлением прямосмещенного эмиттерного p-n-перехода.

Выходное сопротивление высоко. Оно определяется высоким сопротивлением обратносмещенного коллекторного p-n-перехода.

С1 и С2 необходимы для разделения усилительного каскада с генератором и нагрузкой для исключения протекания через них постоянного тока. С_Б необходимо для сглаживания пульсации переменного сигнала и поддержания постоянного напряжения на базе.

Схема с общей базой используется для усиления высокой частоты (т.к. в ней отсутствует эффект Миллера) и в составе каскодных схем (в том числе и в дифферинциальном каскаде).

Каскод - два или более усилительных элемента с гальванической связью, выполняющих роль одного усилительного каскада.

Каскад – независимая усилительная ячейка, которую можно выделить из схемы и обозначить ее свойства.

Недостаток: низкое входное и высокое выходное сопротивление, отсутствие усиления по току.

Достоинства: не инвертируемая фаза.

Схема включения транзистора с общим эмиттером.

Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением равняется π, т.к. при увеличении напряжения на базе ток коллектора увеличивается и напряжение на коллекторе уменьшается за счёт увеличения падения напряжения на U_R коллекторе.

- уравнение Эберса-Молла

- тепловой потенциал

Известно, что Т_КUбэ = -2,1mВ/°С.

R - резистор, который выполняет роль отрицательной обратной связи по току.

U_бэ = U_б – U_э

I_э = I_к+I_б

Включая конденсатор С_э || R, мы шунтируем R по переменному току, т.е. делаем переменный потенциал эмиттера равным нулю.

R_э выбирается из диапазона (0.1 – 0.3)R_к для осуществления температурной стабилизации режима работы каскада. Для переменного тока его влияние ограничено уменьшением максимальной амплитуды неискажённого выходного сигнала.

Достоинства каскада с общим эмиттером: высокие коэффициенты по току h₂₁ и напряжению (десятки, сотни), более высокие (по сравнению с ОБ) R_вх = h₂₁(R+r_э0).

Недостатки: высокое R_вых, инвертирование сигнал (способствует возникновению самовозбуждения и уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах вследствие эффекта Миллера), зависимость Кu от Rн;

Применение: предварительные, промежуточные и предвыходные каскады.

Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

U_б=U_э+0,6

Коэффициент усиления по напряжению стремится к единице (но всегда меньше).

Коэффициент усиления по току:

R_вх = (R_э+r_эо)h21

U_б = U_э

I_бR_вх=I_э(R_э+rэо)

Используется во входных каскадах для согласования с высоким сопротивлением источника сигнала; в промежуточных каскадах для согласования, особенно с высоким выходным сопротивлением источников тока, в выходных каскадах для согласования с низким сопротивлением нагрузки и потому, что его коэффициент не зависит от сопротивления нагрузки.

 

Сравнительный анализ схем включения транзистора

Параметр	ОЭ	ОБ	ОК
Rвх	100Ом – 1кОм	1 – 10Ом	10 – 100кОм
Rвых	1 – 10кОм	100кОм – 1Мом	100Ом – 1кОм
Кi	10 – 100	<1(близко)	10 – 100
КU	10 – 100	10 – 100	<1(близко)
Кp	100 – 10000	10 – 100	10 – 100
φ	π