Полупроводниковые приборы

2.2.1 Тема 1 «Полупроводниковые приборы» Электропроводность Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 5(а). Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей. Электроны в N-области стремятся проникнуть в Р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р-областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 5(б). При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Есобств, направление которого показано на рис. 5. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его - обратным. Приложение прямого и обратного напряжения к p-n-переходу показано на рис. 6. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода приведена на рис. 7. Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов к. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-перехода ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей p-n-переход электрической цепи (рис. 7). Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов; явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов. Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц. Параметры выпрямительного диода Прямое напряжение Uпр Прямой ток Iпр Обратный ток Iобр Обратное напряжение Uобр Максимально допустимый прямой ток Iпр.max Максимально допустимый обратный ток Iобр.max Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max Дифференциальное сопротивление rдиф Среднее прямое напряжение Uпр.ср Средний прямой ток Iпр.ср Средний обратный ток Iобр.ср. Максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.max Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 8(а), а его структура на рис. 8(б). Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 8(в). Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: • падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока; • обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения; • среднее значение прямого тока Iпр.ср; • импульсное обратное напряжение Uобр.и. К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся: • время восстановления tвoc обратного напряжения; • время нарастания прямого тока Iнар; • предельная частота без снижения режимов диода fmax. Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 8(в). Время обратного восстановления диода tвoc является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Специальные типы полупроводниковых диодов К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n-переходов: управляемая полупроводниковая емкость - варикапы и варакторы; зенеровский и лавинный пробой - стабилитроны; туннельный эффект - туннельные и обращенные диоды; фотоэффект - фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов - светодиоды; многослойные диоды - динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды. Варикапы - это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении. Схематическое изображение варикапа приведено на рис. 9(а), а его вольт-фарадная характеристика - на рис. 9(б). Условное обозначение варикапа состоит из пяти элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К - кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В - варикап). Третий элемент - цифра, определяющая назначение варикапа (1 - для подстроечных варикапов, 2 - для умножительных варикапов). Четвертый элемент - это порядковый номер разработки. И, наконец, пятый элемент - соответствует разбраковке по параметрам. Так, например, на рис. 5(б) приведена характеристика варикапа КВ117А. Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость С0, добротность Qc, коэффициент перекрытия по емкости Кс. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа Q к мощности Р: (1) Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис. 10(а) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 10(б) приведены их вольт-амперные характеристики. Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 10(б) штриховой линией показано перемещение вольт-амперных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при Ucт>5B и уменьшает его при Uст<5В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при Uст<5B - отрицательный. При Uст=6...5В ТКН близок к нулю. Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем имеет значение 0,7…2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление. В отличие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения стабилитронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5104В/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе >6В имеет положительный температурный коэффициент. Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К - кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,ЗА) с напряжением стабилизации 6,8В, в металлическом корпусе. Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них. Туннельные диоды. Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n-переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6...0,7В напряженность поля достигает (5...7)-105В/см. При этом через такой узкий p-n-переход протекает значительный ток. Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смещения ток вначале растет, а, достигнув значения Imax при напряжении U1 затем довольно резко убывает до Imin при напряжении U2. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U2 число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает. При дальнейшем повышении напряжения выше U2 прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией. Ввиду очень малой толщины слоя p-n-перехода время перехода через него очень мало (до 10 13-10 14с), поэтому туннельный диод - практически безынерционный прибор. В обычных же диодах электроны проходят через переход благодаря диффузии, т. е. очень медленно. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 11(а), а его схематическое изображение - на рис. 11(б). На вольт-амперной характеристике туннельного диода можно выделить три основных участка: начальный участок роста тока от точки 0 до Imax, участок спада тока от Imax до Imin и участок дальнейшего роста тока от Imin. Схема замещения туннельного диода в выбранной рабочей точке на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала имеет вид, приведенный на рис. 11(в). На этой схеме С - общая емкость диода в точке минимума вольт-амперной характеристики, -G - отрицательная проводимость на падающем участке, rп - последовательное сопротивление потерь, L - индуктивность выводов. Обращенный диод является вырожденным туннельным диодом. Подбором концентрации примесей таким образом, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали при отсутствии внешнего смещения на переходе, можно получить обычную диодную характеристику в области положительных напряжений. При этом участок отрицательного сопротивления будет отсутствовать. Вольт-амперная характеристика обращенного диода приведена на рис. 12(а), а его условное, обозначение - на рис. 12(б). Обращенные диоды применяются для выпрямления на сверхвысоких частотах очень малых напряжений. Однако при использовании обращенного диода необходимо поменять местами анод и катод, так как меняются местами области выпрямления. Это и обусловило название диода - обращенный. Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n-переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n-переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. Вольт-амперные характеристики ФД приведены на рис. 13(а), а его схематичное изображение - на рис. 13(б). Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков. В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода Uxx, отмеченное на рис. 13(а), лежит на горизонтальной оси. Таким образом, при I=0 область Р заряжается положительно, а область N - отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению Uхх и не может превышать контактной разности потенциалов к. Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Основными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого излучения, интегральная чувствительность Si, темновой ток IT,. и постоянная времени . Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения =0,4...2мкм. Интегральная чувствительность зависит от площади p-n-перехода и может изменяться в пределах 10-3... 1 мкА/люкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10-2... 1 мкА. Фотодиоды, имеют очень малую инерционность, т. к. ток в них обусловлен дрейфом неосновных носителей и не связан с диффузией носителей через переход. Постоянная времени  фотодиодов лежит в пределах 10-3...1 мкс. Обозначение фотодиодов состоит из букв ФД и порядкового номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним и интегрированным вместе с фотоприёмником. Светоизлучающие диоды (СИД) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. В СИД преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять материал, из которого изготовлен светодиод, или изменять ток. На рис. 14(а) показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 14(б) приведены спектральные характеристики излучения. Для изготовления светодиодов наиболее часто используют фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенид галлия. Из отдельных светодиодов собирают блоки и матрицы, которые позволяют высвечивать изображения букв и цифр. Инжекционный лазер - это диод с монохроматическим излучением. Когерентное монохроматическое излучение обеспечивается стимулированной фотонной рекомбинацией, которая возникает при инжекции носителей заряда при определенном токе. Минимальный ток, при котором преобладает стимулированная фотонная рекомбинация, называется пороговым. При увеличении тока выше порогового значения происходит ухудшение монохроматического излучения. Биполярные и полевые (униполярные) транзисторы Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной - сплавление, диффузия, эпитаксия - что в значительной мере определяет характеристики прибора. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощенное устройство плоскостного n-p-n-транзистора приведено на рис. 15(а), его условное обозначение - на рис. 15(б), а схема замещения - на рис. 15(в). Аналогичные представления для p-n-p-транзистора приведены на рис. 15(г, д, е). Средняя часть рассматриваемых структур называется базой (Б), одна крайняя область – коллектором (К), а другая – эмиттером (Э). В несимметричных структурах электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный. В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки - в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным – это режим пробоя. Работа транзистора основана на управлении токами электродов и зависимости от приложенных к его переходам напряжений. Принцип работы биполярного транзистора. Рассмотрим более подробно работу транзистора типа n-p-n (рис. 16). Транзистор типа p-n-p работает аналогично, но на него подаются напряжения противоположной полярности. При работе транзистора в активном режиме один p-n-переход (эмиттерный для n-p-n-типа) включается в прямом направлении, а второй p-n-переход (коллекторный) в обратном направлении. Под действием прямого напряжения Uэб электроны устремляются в сторону базы, а в р-области базы дырки движутся к отрицательному полюсу батареи. На границе они встречаются и, взаимодействуя друг с другом, образуют значительный прямой ток, несмотря на малое напряжение в цепи эмиттер-база. Во втором p-n-переходе (коллекторном) под воздействием обратного напряжения Uкб, электроны в n-области и дырки в р-области движутся в противоположных направлениях. Поэтому на границах данного p-n-перехода образуется слой, обедненный носителями тока и обладающий поэтому высоким сопротивлением. Усилительный эффект в транзисторах получается за счет того, что область базы делается очень тонкой (от 0,5 мкм до 0,7 мкм). При такой малой толщине базы основная часть электронов из смещенной в прямом направлении цепи эмиттер-база проникает в р-область базы и приближается к границе второго p-n-перехода. Здесь электроны подхватываются положительным потенциалом на коллекторе и создают ток в его цепи. Но так как напряжение источника питания коллекторной цепи всегда выше напряжения цепи эмиттер-база, а ток примерно одинаковый, то в выходной коллекторной цепи происходит усиление мощности. Если мы будем уменьшать или увеличивать напряжение Uэб, то соответственно будет меняться величина тока в эмиттерной цепи. А значит, аналогичным образом будет меняться и ток в коллекторной цепи, то есть изменяя напряжение Uэб, мы можем управлять током в коллекторной цепи. Изменяя потенциал базы, мы, по сути, меняем электрическое сопротивление p-n-переходов. Поэтому транзистор часто представляют в виде переменного сопротивления, управляемого электрическим сигналом. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов Выходные вольт-амперные характеристики транзистора приведены на рис. 17(а). Линейная область на этих характеристиках отмечена штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии. Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики. Схема с общей базой. Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, гак как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 18). Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока Iэ от напряжения Uбэ при заданном напряжении Uкб, т. е. зависимость вида (2) где f - некоторая функция. Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик). Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока Iк от напряжения Uкб при заданном токе Iэ, т. е. зависимость вида (3) где f - некоторая функция. Полный ток коллектора для данной схемы равен: (4) Величина h21б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттером и примерно равна 0,9…0,998; Iкбо – обратный ток базово-коллекторного p-n-перехода в схеме с общей базой. Полный ток базы равен: (5) где Iбр – прямой ток эмиттерно-базового p-n-перехода, возникающий за счет движения электронов из внешней цепи (рекомбинационный ток базы). Схема с общим эмиттером. Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 19. Эту схему называют схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения. Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока Iб от напряжения Uбэ при заданном напряжении Uкэ, т. е. зависимость вида (6) где f - некоторая функция. Выходной характеристикой называют зависимость тока Iк, от напряжения Uкэ при заданном токе Iб, т. е. зависимость вида (7) где f - некоторая функция. Связь между токами Iб и Iк в схеме с общим эмиттером определяется уравнением: (8) Коэффициент пропорциональности h21Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера: (9) Составляющая Iкэо называется обратным током коллектора в схеме с общим эмиттером и равна: (10) Обратные токи Iкбо и Iкэо не зависят от входных напряжений Uэб и Uбэ Схема с общим коллектором. Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов: Iэ=Ik+Iб Малосигнальные параметры биполярного транзистора. Все рассмотренные выше зависимости касались работы транзистора при постоянных напряжениях и токах его переходов. Однако в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами. Наибольшее применение получили малосигнальные h-параметры биполярных транзисторов. Их часто называют гибридными или смешанными, поскольку одни из них имеют размерность проводимости, другие – сопротивления, а третьи могут быть безразмерными. Все h-параметры представлены в таблице 4. Таблица 4 - h-параметры биполярных транзисторов № Параметр Условие Характеристика параметра 1 Uвых=const Характеризует входное сопротивление биполярного транзистора при неизменном значении выходного напряжения Продолжение таблицы 4 2 Iвх=const Коэффициент обратной связи по напряжению, безразмерная величина 3 Uвых=const Коэффициент прямой передачи по току, безразмерная величина 4 Iвх=const Выходная проводимость транзистора, измеряется в сименсах Знак  означает небольшое изменение напряжения или тока относительно значений в статическом режиме. Значения h-параметров зависят от схемы включения транзисторов. Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала, - стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором. Поскольку в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение носителей заряда одного знака. Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с р-каналом и n-каналом. Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 21. Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом показаны на рис. 22. В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n-переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, UзиО. В транзисторе с р-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Ucи<0, Uзи0. Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с n-каналом. Транзисторы с р-каналом работают аналогично. На рис. 23 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n-переход между затвором и каналом (рис. 23(а)) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала. Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 23(б)) приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока. Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рис. 23(б)), то толщина обедненного слоя, а, следовательно, и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания: (11) обедненные области смыкаются, и сопротивление канала резко возрастает. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора приведены на рис. 24. Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения при постоянном напряжении за затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 24(а)). На начальном участке характеристик ток стока Iс возрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток — исток до происходит перекрытие канала, и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою p-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Ic=f(Uзи) (рис 24(б)). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Входная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора Iз от напряжения затвор — исток — обычно не используется, так как при Uзи0 р-n-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал, поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание. Полевой транзистор с изолированным затвором — полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическими затворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно оксид кремния, а p-n-переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП — металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-транзисторами (МОП — металл — оксид — полупроводник). Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде p-n-перехода. В то же время изолированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока Iс. Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи при Uси=const (12) и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения при Uзи=const (13) В качестве предельно допустимых параметров нормируются: максимально допустимые напряжения Uсиmax и Uзиmax; максимально допустимая мощность стока Pcmax; максимально допустимый ток стока Iсmax. Тиристоры Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более р-n-переходов. Тиристор по своему принципу – прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а выключенном – разомкнутому ключу. В открытом состоянии тиристоры хорошо проводят электрический ток, а в закрытом они представляют собой большое сопротивление соизмеримое с сопротивлением кремниевого диода при обратном напряжении. Тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называются неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами. Тиристоры широко применяются для управления электродвигателями, в выпрямительных схемах, импульсных схемах, устройствах автоматики. В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематическое обозначение тиристоров приведены на рис. 25. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора приведена на рис.26. Из ВАХ тиристора видно, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Основные параметры тиристоров: 1. Iос.ср.max – максимально допустимый ток средний ток в открытом состоянии; 2. Iос.д.max – максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии (для симметричных тринисторов); 3. Iз.и. – запираемый импульсный ток (для запираемых тиристоров); 4. Uзс.max – максимально допустимое постоянное напряжение в закрытом состоянии; 5. Uобр.max – максимально допустимое постоянное обратное напряжение; 6. Uос – постоянное напряжение в открытом состоянии; 7. Iзс – постоянный ток в закрытом состоянии; 8. Iобр – постоянный обратный ток; 9. Iу.от – отпирающий постоянный ток управления: наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора; 10. Uу.от – отпирающее постоянное напряжение управления: напряжение управления, соответствующее Iу.от. 2.2.2 Тема 2 «Усилительные каскады» Усилители непрерывных сигналов Усилители - устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. Простейшим усилителем является усилительный каскад (рис. 27), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение Uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения Uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии Е. Процесс усиления осуществляется посредством, изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента УЭ, а, следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого элемента УЭ или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной э.д.с. Е в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Усилительные свойства усилителя зависят от степени влияния входного сигнала на ток управляемого элемента: чем больше это влияние, тем больше будет падение напряжения от тока УЭ на резисторе, а значит, и выходное напряжение, которое зависит также от сопротивления резистора R. Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению , коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности: (14) Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления значительно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы Многокаскадные усилители В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряжение, ток или мощность) требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности. Усилительный каскад напряжения имеет коэффициент усиления КU, как правило, равный нескольким десяткам. В инженерной практике очень часто необходимо получить значительно больший коэффициент усиления по напряжению, достигающий многих тысяч и даже миллионов. Для решения такой задачи используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего (рис. 28). Коэффициент усиления многокаскадного усилителя (15) При выполнении условий , он равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов (16) Усилители тока применяют в тех случаях, когда в нагрузочном устройстве, обладающем, как правило, малым сопротивлением (реле, индикатор тока), требуется получить значительный ток. Усилителями мощности обычно являются выходные (оконечные) каскады многокаскадных усилителей. Они работают в режимах, обеспечивающих получение максимально возможной мощности нагрузочного устройства. В зависимости от диапазона частот входных сигналов, для усиления которых предназначены усилители, последние подразделяют на несколько видов. Для усиления медленно изменяющихся сигналов используют усилители постоянного тока (УПТ), для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот (от десятков герц до 15—20 кГц) - усилители низкой частоты (УНЧ), для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц - усилители высокой частоты (УВЧ). Для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц, применяют импульсные усилители, которые называют также широкополосными (ШПУ). При необходимости усиления сигналов в узком диапазоне частот применяют узкополосные, или избирательные, усилители. Усилительные каскады на биполярных транзисторах Усилительный каскад с общим эмиттером. Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rк (рис. 29), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Принцип работы. На коллекторе n-p-n транзистора относительно эмиттера через резистор Rк подают положительное напряжение источника питания (Uпит). Участок эмиттер – коллектор, резистор Rк и источника питания образует коллекторную цепь усилителя. Резистор Rк в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала усиленного транзистором. На базу транзистора через резистор Rб подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом цепи база-эмиттер транзистора возникает ток (поскольку p-n включается в прямом направлении). Значение данного тока определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора и эмиттерного p-n перехода , (17) Подбором резистора Rб на базе устанавливают такое напряжение смещения Uбаза-эмиттер при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора Iк, который во много раз больше тока в базовой цепи. Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения обычно составляет 0,1-0,2 В, а для кремниевых 0,6-0,7 В. Без начального напряжения смещения на базе транзистор будет искажать усиливаемый сигнал. Пока сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя Iп. Напряжение, действующее между коллектором и эмиттером (Uкэ), оказывается меньше чем напряжение источника питания. Назначение напряжения, выделяющегося на Rк (18) Сигнал Uвх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор Ссв, а усиленный сигнал снимают с резистора Rк. С появление на входе усилителя сигнала Uвх напряжение на базе транзистора начинает изменяться, а именно, при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных - менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, а также в значительной степени изменяется и ток в коллекторной цепи. При этом на нагрузочном резисторе Rк выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше входного напряжения входного сигнала. Напряжение Uкэ в этом случае будет в противофазе с входным напряжением и коллекторным током. Данное напряжение через разделительный конденсатор Сраз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подано на вход следующего каскада усиления. Точно так же работает и усилитель на транзисторе p-n-p-типа, но в этом случае полярность напряжения источника питания должна быть обратной. Усилительный каскад с общим коллектором. Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приведена на рис. 30. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллектором через конденсатор С, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе Rэ от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи Сс. В режиме покоя, т. е. при Uвх=0, резистор Rб создает начальный ток смещения в цепи базы. Его значение выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. При наличии переменного входного напряжения Uвх появляется переменная составляющая эмиттерного тока Iэ, которая создает на резисторе Rэ выходное напряжение Uвых=RэIэ. Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством. В усилительных каскадах с общим коллектором температурная стабилизация обеспечивается основным резистором Rэ, включенным в эмиттерную цепь. Усилительный каскад с общей базой. Схема усилительного каскада с общей базой (каскад ОБ) приведена на рис. 31. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя Iб0, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы Rб и Rб. Конденсатор Сб имеет на частоте усиливаемого сигнала сопротивление, много меньшее Rб, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой через конденсатор связи Сс. Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным - эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности Кр=KUKI каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой - малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко. Режимы работы усилительных каскадов В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают три основных режима работы усилительных каскадов, или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и к. п. д. Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно .посередине) входной и переходной характеристик транзистора. К. п. д. усилителя определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания. Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают в начале переходной характеристики транзистора. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Поэтому режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности. Режим В характеризуется значительно более высоким к. п. д. усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. К. п. д. усилителя, работающего в режиме В, может достигать 80%. Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения. Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к. п. д. устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений. Обратные связи в усилителях Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход. На рис. 32 изображена структурная схема усилителя с обратной связью. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными. Если при наличии обратной связи входное напряжение Uвх складывается с напряжением обратной связи Uос, в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение U1, то такую обратную связь называют положительной. Если после введения обратной связи напряжения U1 на входе и Uвых на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряжения Uвх, то такую обратную связь называют отрицательной. Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. Усилители постоянного тока Часто при проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие, усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные элементы связи (конденсаторы, трансформаторы), поэтому для этой цепи, как правило, служат резисторы. На рис. 33 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивно-емкостной связью (кривая 2). В области низких и средних частот амплитудно-частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ фазовые сдвиги и частотные искажения появляются на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости усилительных каскадов, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью. В усилителях постоянного тока возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях. Характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований: 1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал; 2) при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал; 3) напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению. Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилителях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора. В усилителях постоянного тока отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом. Такие усилители можно условно подразделять на усилители с одним и с двумя источниками питания. УПТ с одним источником питания. Простейшая схема УПТ с одним источником питания приведена на рис. 34(а). На рис. 34(б) показаны временные диаграммы его работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 34(а)) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания. В рассматриваемом УПТ (рис. 34(а)) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R3R4, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R1R2. Потенциалы средних точек делителей таковы, что в отсутствие входного напряжения (Uвх=0) б=1 и к=2, вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе (Iн=0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R5. При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока Iн. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 34(б)) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0  t  t1) выходное напряжение Uвых=0; в интервале t10, а в интервале t>t2 Uвх>0 и Uвых<0. В УПТ с одним источником питания и в других подобных усилителях вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится. Схемы усилителей с одним источником питания обладают рядом недостатков. Во-первых, в них нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя и не могут быть соединены с общей точкой усилителя (корпусом), имеющей нулевой потенциал. Такое соединение с общей точкой необходимо в сложных электронных устройствах со многими усилительными каскадами. Во-вторых, источник входного напряжения (рис. 6.9, а) тоже не соединен с общей точкой усилителя. Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения Uко, Uбо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала. В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов. Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер: 1) стабилизацию напряжения источников питания, стабилизацию температурного режима и тренировку транзисторов; 2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ; 3) преобразование усиливаемого напряжения. Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф каждая из указанных мер. Дифференциальный УПТ. Кроме стабилизации питающих напряжений для борьбы с дрейфом УПТ принимают специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные УПТ). Они построены по принципу четырехплечего моста (рис. 35). Действительно, если мост сбалансирован, т. е. R1/R2=R4/R3 то при изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ. В дифференциальном усилителе (рис. 36(а)) сопротивления резисторов R2, R3 в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками. Операционные усилители Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной ОС (рис.37). Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и т.д.) над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Первые ОУ строились на электронных лампах, работали с высокими напряжениями (до ±300 В), имели большие размеры и стоимость. В начале 60-х годов ОУ стали серийно выпускаться в виде интегральных микросхем. Они имеют малые размеры, низкую стоимость, высокую надежность, и область применения их необычайно широко раздвинулась за те границы, которые предвидели их первые разработчики. ОУ применяются в системах телекоммуникации, вычислительной технике, в управлении процессами производства и др. При этом ОУ остается очень хорошим усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления. В настоящее время операционный усилитель – усилитель постоянного тока с полосой пропускания в несколько Гц с непосредственной связью (без разделительных конденсаторов) между высоким входным и малым выходным сопротивлением. Выходной каскад операционного усилителя выполняется в виде дифференциального симметричного каскада. Поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенным к ним напряжениям. Большинство операционных усилителей имеют один несимметричный выход и два входа симметричных по отношению к общему проводу. Так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала поданного на этот вход, его называют прямым. Инвертирующий вход – т.к. фаза выходного сигнала сдвинута на 180. Если ко входам приложены синфазные одинаковые по величине и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой потенциал. Выходное напряжение измеряется относительно общего провода. Чтобы обеспечить возможность работы как с положительным так и отрицательным выходными сигналами для операционного усилителя необходимо двухполярное питающее напряжение. Коэффициент усиления является основным параметром и определяется отношением выходного напряжения от усилителя без обратной связи в режиме холостого хода к дифференциальному входному напряжению: (19) Величина Uд бесконечно мала по сравнению с U2, поэтому при расчетах принято считать Uд0; U1’U1”. Инвертирующая схема включения операционного усилителя В данной схеме (рис. 38) входной сигнал подается на инвертирующий вход, поэтому входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180. Прямой вход соединен с общим проводом. По первому закону Кирхгофа баланс токов в точке а равен: Iвх=Iос+Iоу. Т.к. мы приняли допущение, что Rвх, то Iвх=Iос. Iвх= Uвх/R1 Iос= - Uвых/Rос (20) Знак минус говорит о том, что выход и вход в противофазе. Из последнего соотношения коэффициент усиления инвертирующей схемы равен: (21) Не инвертирующая схема включения операционного усилителя В данной схеме (рис. 39) сигнал подается на инвертирующий вход. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи запишем: (22) Отсюда коэффициент усиления для не инвертирующей схемы будет равен: (23) Важным частным случаем не инвертирующей схемы является операционный повторитель (R1; Rос=0). Операционный повторитель (рис. 40) передает входной сигнал на выход без изменения фазы и амплитуды. У такого повторителя очень большое входное и очень малое выходное сопротивление, что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода. 2.2.3 Тема 3 «Импульсные и цифровые устройства» На предыдущих лекциях рассматривался в основном непрерывный режим работы электронных устройств, предполагающий длительное воздействие сигналов. Однако наряду с непрерывным в электронных устройствах часто используется импульсный режим работы, при котором кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой. Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим работы лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются антеннами радиолокаторов, а слабые, отраженные от различных объектов импульсы, принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех. В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколообразные, ступенчатые, пилообразные и др. (рис. 41(а - е)). Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов, представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний (рис. 42(а, б)). В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы. Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F=l/T (рис. 43). Отношение периода Т к длительности tи импульсов называют скважностью: (24) Скважность обычно колеблется в пределах от 2-10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация). Приведенные на рис. 41 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины. Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами (рис. 44): 1. Амплитудой импульса А; 2. Длительностью импульса tи, обычно определяемой на уровне 0,1А; 3. Длительностью фронта импульса tф - временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9А; 4. Длительностью среза импульса tc - временем убывания импульса от 0,9 до 0,1А; 5. Спадом вершины импульса А. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Выключено». На рис. 45(а-в) приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа. При разомкнутом ключе i=0, Uвых=Е. При замкнутом ключе i=E/R, Uвых=0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «Включено» - «Выключено», зависят от типа и параметров применяемых активных элементов и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами: 1. Падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии Uз; 2. Током через ключ в разомкнутом состоянии iр; 3. Временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) tпер. Чем меньше значения величин Uз, iр и tпер, тем выше качество ключа. Компаратор Многие устройства импульсной и цифровой техники успешно выполняются на операционных усилителях. Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений. Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. На рис. 8.46 (а) изображена схема простейшего компаратора на операционном усилителе для сравнения напряжений одного знака. Выходное напряжение (25) На рис. 46(б) приведена передаточная характеристика компаратора, а на рис. 46(в) - его условное обозначение. Благодаря высокому коэффициенту усиления К компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений U1 - U2. Если требуется сравнить по значению достаточно большие входные напряжения разных знаков, применяют схему рис. 47. Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки а. При этом U1/R1 = -U2/R2. Благодаря включению диодов потенциал точки а не превышает ±0,6В (прямое напряжение на открытом диоде) при достаточно больших U1 и U2, чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки. Компараторы выпускаются в виде микросхем, например К597СА1, или 521СА4. Триггер Шмитта Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом). Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью. На рис. 48(а – в) приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение инвертирующего триггера Шмитта. На рис. 49(а - в) приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение неинвертирующего триггера Шмитта. Триггеры Шмитта выпускаются в виде микросхем, например К155ТЛ1 (два триггера Шмитта с элементами И на входе). Одна из основных областей применения триггера Шмитта - формирование напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы (рис. 50). Триггер Шмита используют также в качестве порогового устройства для регистрации превышения входным напряжением порогового значения Uвкл (или Uвыкл). Мультивибраторы и одновибраторы Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) (от англ. relax - ослаблять, уменьшать напряжение): Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с положительной обратной связью или электронных приборов с отрицательным сопротивлением, например туннельных диодов или тиристоров. В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного состояния. Кроме того, они имеют состояния квазиравновесия, характеризуемые сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое. Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) автоколебаний; 2) ждущем; 3) синхронизации. На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов. В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Релаксатор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называется мультивибратором. В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход - самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Отсюда и название устройства - одновибратор. В режиме синхронизации частота повторения импульсов релаксатора определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Релаксатор имеет два чередующихся состояния квазиравновесия, а время пребывания в этих состояниях зависит не только от параметров релаксатора, но также от периода синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний. Схемы мультивибраторов разнообразны и по элементной базе и по способам построения. Рассмотрим мультивибраторы на операционных усилителях. На рис. 51(а) приведена схема мультивибратора, выполненного на основе инвертирующего триггера Шмитта, в котором отрицательная обратная связь осуществляется через фильтр нижних частот в виде RС-цепи. Допустим, что выходное напряжение мультивибратора равно Uвых mах. Тогда напряжение на инвертирующем входе (равное напряжению Uс на конденсаторе) отрицательно, а на прямом входе положительно и равно (26) Напряжение на конденсаторе Uс=U_ возрастает, так как конденсатор начинает перезаряжаться через резистор R, и стремится к Uвых max (рис. 51(б)). Когда Uс достигает уровня Uвыкл выключения триггера Шмитта, напряжение Uвых скачком изменяется до Uвых min. Так как Uвых max= -Uвых min = Umax, то конденсатор С начинает перезаряжаться от Uвыкл до -Umax и обратное переключение происходит при Uc = Uвкл. Затем процесс периодически повторяется. Мультивибраторы и одновибраторы могут быть выполнены на логических элементах. Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах позволяют получить импульсы с малой длительностью фронта и среза. Однако температурная стабильность и диапазон регулирования длительности импульсов у них ниже, чем в схемах на операционных усилителях. Как отмечалось, мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы. Одновибраторы используют для различных целей: 1. Расширение импульсов (реализуется благодаря тому, что длительность импульса одновибратора определяется параметрами схемы и не зависит от длительности запускающего импульса); 2. Задержка сигнала на заданное время (Входной сигнал (запускающий импульс) может быть задержан на время, равное длительности импульса одновибратора, если к его выходу подключить устройство (например, динамический триггер), реагирующее на перепад напряжения, соответствующий окончанию выходного импульса. На этом принципе реализуют реле времени - устройство, предназначенное для выдачи сигнала спустя заданное время после входной команды. Для задания точных, регулируемых в широком диапазоне интервалов времени, применяют специальные устройства - таймеры (от англ. time - время), выпускаемые в виде интегральных микросхем, например КР1006ВИ1. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (см. рис. 41(е)). ЛИН характеризуется следующими основными параметрами (рис. 52): периодом Т, длительностью рабочего хода Тр, длительностью обратного хода Тобр, амплитудой Um, коэффициентом нелинейности . В ГЛИН, используемых на практике, Tр изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, Um - от единиц до тысяч вольт, Tобр - от 1 до 50% от Тр. В большинстве реальных схем <1%. Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. Как известно, напряжение на конденсаторе Uс связано с током, проходящим через конденсатор, соотношением (27) В случае линейного изменения напряжения Uс (28) Подставляя (27) в (28), получаем (29) т. е. для обеспечения линейности необходимо, чтобы зарядный ток конденсатора был постоянен. Тогда (30) Для получения периодической последовательности импульсов ЛИН требуется периодически заряжать конденсатор. Таким образом, функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис. 53. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока постоянным током Ic. Замыкание ключа K приводит к разрядке конденсатора, затем процесс повторяется. На рис. 54(а) приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами Uвх отрицательной полярности (рис. 54(б)). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов Rб и Rк. При воздействии входного импульса длительностью Тр транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Ек через резистор Rк. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте (рис. 54(б)): . По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор - эмиттер (рис. 54(а)). Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение Um/Eк мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы. Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Логические элементы Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств - автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения. Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа. Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции: 1. Логическое сложение (дизъюнкцию), или операцию ИЛИ, обозначаемую знаками «+» или v: Y=x1+x2; 2. Логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками «•»,  или написанием переменных рядом без знаков разделения: Y=x1x2; 3. Логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменной: . Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеют следующий вид: Операция ИЛИ Операция И Операция НЕ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Логические элементы, реализующие операцию ИЛИ, называют элементами ИЛИ. Выходной сигнал Y элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из n входов подан сигнал «1». Логические элементы, реализующие операцию И, называют элементами И либо схемами совпадения. Выходной сигнал Y элемента И равен единице, если одновременно на все n входов подан сигнал «1». Операция НЕ реализуется логическим элементом НЕ или инвертором. Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции. В таблице 5 приведены основные логические функции, обозначения соответствующих элементов и их схемы. Логические элементы обычно выполняют на интегральных микросхемах. В зависимости от вида используемых сигналов логические элементы подразделяют на потенциальные и импульсные. В потенциальных элементах логические «0» и «1» представляются двумя разными уровнями электрического потенциала, а в импульсных элементах - наличием или отсутствием перепада напряжения от низкого уровня к высокому или наоборот. Наибольшее распространение получили потенциальные элементы. Таблица 5 - Основные логические функции Элемент Обозначение Выполняемая функция и схема НЕ ЛН И ЛИ И-НЕ ЛА ИЛИ ЛЛ ИЛИ-НЕ ЛЕ И-ИЛИ ЛС И-ИЛИ-НЕ ЛР Исключающее ИЛИ ЛП Классификация логических элементов Выделяют следующие классы логических элементов: 1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ); 2. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ); 3. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); 4. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ); 5. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ); 6. Логика на основе МОП транзисторов с каналами типа р (р-МДП); 7. Логика на основе МОП транзисторов с каналами типа n (n-МДП); 8. Логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМПДП, КМОП); 9. Интегральная инжекционная логика (И2Л); 10. Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs. В настоящее время более широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в настоящее время устройств можно рекомендовать использовать КМОП-логику, а также логику на основе GaAs. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем – это совокупность микросхем, характеризуемых общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания. Приведем примеры серий микросхем: ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 522, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500. Параметры логических элементов: 1. Время задержки распространения сигнала (tзр); ◦ tзр10 – время задержки распространения сигнала при переключении из состояния «1» в состояние «0»; ◦ tзр01 – время задержки распространения сигнала при переключении из состояния «0» в состояние «1»; 2. Максимальная рабочая частота (Fmax) – частота, при которой сохраняется работоспособность схемы; (пункты 1-2 характеризуют быстродействие) 3. Коэффициент объединения по входу (Коб) – число логических входов; 4. Коэффициент разветвления по выходу (Краз) – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента; (пункты 3-4 характеризуют нагрузочную способность); 5. Статическая помехоустойчивость Uпст – максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента (характеризует помехоустойчивость); 6. Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания; 7. Напряжение питания; 8. Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх1порог и Uвх0порог, соответствующие изменению состояния логического элемента; 9. Выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1 и Uвых0. Устройства на логических элементах Дешифратор Дешифратором (декодером) называют устройство, предназначенное для распознавания различных кодовых комбинаций (слов). Каждому слову на входе дешифратора соответствует «1» на одном из его выходов. На рис. 55 показано условное обозначение дешифратора, преобразующего двоичные четырехразрядные входные коды от 0 до 9 в «1» (преобразователь 1 из 10), а табл. 6 иллюстрирует состояния дешифратора для разных кодовых комбинаций. Существуют дешифраторы, преобразующие входной код х в выходной код у, называемые преобразователями кодов (например, преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный и наоборот). В таких преобразователях каждому слову на входе соответствует определенное слово на выходе. Дешифраторы находят разнообразное применение в вычислительной и информационно-измерительной технике. Одно из них - управление индикаторами, отображающими знаковую информацию. Таблица 6 - Таблица состояний двоично-десятичного семисегментного дешифратора Цифра Двоично-десятичный код Семисегментный выход 23 22 21 20 A b c d e f G 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 1 Дешифраторы выпускаются в виде интегральных микросхем, например трехразрядный дешифратор К500ИД162М, преобразующий двоичный код в восьмеричный, четырехразрядные преобразователи двоичного кода в десятичный К176ИД1 и К155ИД1. Существуют также микросхемы, объединяющие счетчик с дешифратором, например микросхемы К176ИЕЗ и К176ИЕ4, предназначенные для управления семисегментными цифровыми индикаторами. Микропроцессоры Развитие микроэлектроники, с одной стороны, и вычислительной техники - с другой, привело к появлению в начале 70-х годов качественно новых технических средств - микропроцессоров и микро-ЭВМ. Главный узел цифровой вычислительной машины – процессор. Процессором называют устройство обработки информации, осуществляемой по программе. Микропроцессор (МП) - это процессор, выполненный по интегральной технологии в одной или нескольких БИС. Например, широко распространенный микропроцессор КР580ИК80 (серия 580) содержит 5000 транзисторов и выполнен в одном кристалле БИС. Структура микропроцессора приведена на рис. 56. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) реализует арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, И, ИЛИ) операции над двумя числами и выдает результат операций. Регистры (Р) служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (аккумулятор). Устройство управления (УУ) служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего запоминающего устройства (ЗУ), в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд. Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами тремя шинами: шиной данных (ШД), шиной адресов (ША) и шиной управления (ШУ). Шина состоит из параллельных проводников, к которым подключаются блоки МП и внешние устройства. Она служит для обмена информацией между этими блоками. Устройство управления определяет разделение во времени связей между блоками по одним и тем же проводникам (мультиплексирование). Шина данных служит для обмена операндами - исходными элементами данных, под которыми можно понимать числовые данные или команды (также представляемые числами). Шина адресов служит для передачи адресов - указаний (в виде чисел) местоположения ячейки памяти в запоминающем устройстве. Шина управления служит для обмена сигналами управления. Для того чтобы получить законченную ЭВМ, к процессору необходимо добавить, как минимум, устройство ввода - вывода информации (УВВ), запоминающее устройство (ЗУ) и тактовый генератор (ТГ) (рис. 57). Первое служит для ввода информации от внешних устройств в процессор или в ЗУ и для вывода информации во внешние устройства, второе - для приема, хранения и выдачи программы и данных. Тактовый генератор синхронизирует через МП работу всех блоков системы. Показанную на рис. 57 систему называют микро-ЭВМ или микропроцессорной системой (комплектом). Микропроцессорные комплекты оперируют информацией, представленной в двоичном коде в виде электрических сигналов. Большинство МП рассчитаны на работу с 4, 8, 12 и 16-разрядными «словами». Программа, по которой работает МП, обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в которое она заносится однократно при изготовлении ПЗУ. Возможно применение репрограммируемых ПЗУ (РеПЗУ), допускающих многократную запись и стирание информации (например, микросхемы К573РФ1 - К573РФ5), в которых стирание происходит при ультрафиолетовом облучении. Для хранения данных применяют оперативные ЗУ (ОЗУ), в которые информация может быть введена микропроцессором или внешними устройствами (например, клавиатурой ввода, каналом связи с объектом). В МП и микро-ЭВМ используется микропрограммное управление, при котором каждая команда представляется набором микрокоманд - реализуемых электрической схемой элементарных машинных операций. Обычно число команд (или микрокоманд), которые могут выполняться микропроцессорной системой, невелико (десятки и сотни). 2.2.4 Тема 4 «Источники вторичного электропитания» Принципы построения источников вторичного электропитания Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие средства, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую, например, электромеханические генераторы, электрохимические источники - аккумуляторы или гальванические элементы, фотоэлектрические генераторы - солнечные батареи и фотоэлементы, термоэлектрические источники и др. Непосредственное использование первичных источников затруднено тем, что их выходное напряжение в большинстве случаев не поддается регулировке, а стабильность его недостаточно высокая. Однако для питания электронной аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с различными номинальными значениями - от единиц вольт до нескольких сотен вольт, а в ряде случаев даже выше. По этой причине (и не только из-за этого) любое электронное устройство содержит вторичный источник электропитания, который подключается к одному из первичных источников. Средства вторичного электропитания электронных устройств, называемые обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками. Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных функциональных электронных узлов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства. Обобщенная структура ИВЭП приведена на рис. 58. В состав ИВЭП, кроме самого источника питания, могут входить дополнительные устройства, которые обеспечивают его нормальную работу при различных внешних воздействиях. Как видно из приведенной на рис. 58 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик как первичного источника, так и нагрузки. Так, например, при увеличении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры. Устройство управления и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть использовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др. В то же время устройство защиты и коммутации позволяет сохранить работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов: короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного отключения, резкого повышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы. Выпрямители источников питания Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рис. 59. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор (СТ), вентильный блок (ВБ), фильтрующее устройство (ФУ) и стабилизатор напряжения (СН). Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения в сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, C элементах или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др. – на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 60(а), является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рис. 51(а). Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рис. 60(б), представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w2 и w2’. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рис. 61(б). Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора. Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 60(в)) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током, и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители резко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В). Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 60(г)) представляет собой последовательное соединение двух однофазных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VD1 заряжается конденсатор С1 а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С2 заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы С1 и С2 могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам - наличие двух конденсаторов С1 и С2. Выпрямители с умножением напряжения применяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих сравнительно небольшой ток (обычно не больше 10 мА). Такие выпрямители часто называют умножителями напряжения. Умножители напряжения позволяют получить на выходе устройства напряжение, в любое число раз большее напряжения на его входе. Наибольшее распространение получили схемы удвоения и утроения напряжения. Так, например, для питания кинескопов телевизионных приемников широко применяются умножители типа УН-9/27 и УН-9/18, где буквы УН обозначают умножитель напряжения, а цифры - входное и выходное напряжения в киловольтах. Дополнительно может быть указан предельный ток на выходе умножителя, который для телевизионных умножителей равен 1,0...1,ЗмА. Схемы умножителей напряжения приведены на рис. 62. На рис. 62(а) приведена схема удвоителя напряжения с несимметричным входом. Эта схема работает следующим образом. Положительный импульс напряжения, снимаемый с нижнего вывода вторичной обмотки трансформатора Тр (в телевизорах это выходной трансформатор строчной развертки), через диод VD1 заряжает конденсатор С1 до амплитудного значения U2m. Во второй полупериод, когда напряжение на обмотке меняет полярность, диод VD1 запирается, а напряжение на конденсаторе С1 складывается с напряжением на обмотке U2 и прикладывается к диоду VD2. В результате конденсатор С2 заряжается через диод VD2 практически до удвоенного значения импульсного напряжения. Выходное напряжение, снимаемое с конденсатора С2, поступает на нагрузку. На рис. 62(б) приведена схема учетверителя напряжения, который состоит из яух удвоителей, рассмотренных ранее. Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит так же, как в схеме рис. 62(а), за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы С3 и С4 до напряжения 2U2m. Таким образом, полный заряд всех конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор С1 заряжается до напряжения U2m, а остальные - до 2U2m. Обратное напряжение на всех диодах равно 2U2m. На рис. 62(в) приведена схема утроителя напряжения. Отличительной особенностью этой схемы является то, что каждый последующий конденсатор заряжается до напряжения, пропорционального его номеру. Заряд конденсатора С1 производится через диод VD1 до напряжения U2m. Во втором полупериоде напряжение на обмотке U2m складывается с напряжением на конденсаторе С1 и через диод VD2 заряжает конденсатор С2 до напряжения 2U2m. В третий полупериод напряжение на обмотке U2m складывается с напряжением на конденсаторе С2 и через диод VD3 заряжает конденсатор С3 до напряжения 3U2m. Количество звеньев в этой схеме можно увеличивать, однако время выхода выпрямителя в установившийся режим при этом также увеличивается. Сглаживающие фильтры Пульсации выпрямленного напряжения оцениваются коэффициентом пульсаций р и являются отношением амплитуды первой гармоники входного напряжения U1вх к среднему значению напряжения на нагрузке URн.ср.: (31) Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя L, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн.Фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше L или меньше Rн. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами. В электронных фильтрах вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагрузочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей. Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной, состоящим из конденсатора, подключенного параллельно нагрузке Rн. Заряжаясь в то время, когда напряжение на входе фильтра близко к максимальному, конденсатор отдает запасенную энергию в нагрузку при уменьшении входного напряжения. В схеме на рис.3 сглаживающим фильтром может быть конденсатор С1. Коэффициент сглаживания емкостного фильтра тем выше, чем больше емкость конденсатора. Правда, при этом укорачиваются импульсы тока подзаряда конденсатора, а, следовательно, растет их амплитуда, что усложняет работу выпрямительных диодов. Емкостные фильтры широко применяют в источниках питания радиоэлектронных устройств, так как они просты и недороги. Намного эффективнее сглаживающий фильтр, состоящий из двух звеньев: емкостного С1 и RC-звена из элементов R1 и С2. Напряжение на конденсаторе С1 поднимается почти до амплитуды входного, при этом предварительно сглаживаются пульсации. Для окончательного сглаживания служит второе звено. Такой фильтр прост в изготовлении и недорог. Недостатком RC-фильтров является низкий КПД: (32) Обычно на резисторе R1 теряется до 10% выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания. Стабилизаторы напряжения Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др. По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа. Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным, а с параллельным включением — шунтовым. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме. По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1 Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания малых ЭВМ и маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др. По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%)) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1%). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты). Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметры стабилизаторов напряжения позволяют сравнивать их по качеству работы, выбирать те, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации электронных устройств. К таким параметрам относят: 1. Номинальное выходное напряжение Uвых (это выходное напряжение стабилизатора при нормальных условиях его эксплуатации (определенное входное напряжение, заданный ток нагрузки, установленная температура окружающей среды); если стабилизатор позволяет регулировать выходное напряжение, то задается диапазон изменения выходного напряжения Uвыхmin и Uвыхmax); 2. Диапазон изменения входного напряжения Uвхmin и Uвхmax (позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора); 3. Диапазон изменения тока нагрузки Iнmin и Iнmах (позволяет установить пределы изменения тока нагрузки, при котором сохраняются точностные свойства стабилизатора); 4. Коэффициент полезного действия ст (это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к мощности Рпот, потребляемой от первичного источника питания: (33) 5. Коэффициент нестабильности по напряжению КнU - это отношение относительного изменения выходного напряжения Uвых/Uвых к вызвавшему его изменению входного напряжения Uвх: , %/В (34) 6. Коэффициент нестабильности по току КнI (это отношение относительного изменения выходного напряжения Uвых/Uвых к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки Iн/Iн: (35) 7. Коэффициент сглаживания пульсаций Ксг (это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения: (36) 8. Быстродействие (характеризует его способность быстро отрабатывать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки; обычно быстродействие стабилизатора определяют временем установления выходного напряжения при заданном скачкообразном изменении напряжения на входе или тока нагрузки). Параметрические стабилизаторы напряжения выполняют на специальных полупроводниковых диодах: стабилитронах и стабисторах. Для стабилизации напряжения при помощи стабилитрона используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, а при помощи стабистора — его прямую ветвь. В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Типовая схема включения стабилитрона приведена на рис. 63(а). Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное напряжение стабилизации Uст, его дифференциальное сопротивление rст и температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН. Температурный коэффициент напряжения стабилизации зависит от напряжения стабилизации и тока через стабилитрон. Типовые зависимости ТКН стабилитрона от Uст и Iст приведены на рис. 63(б). Из этих зависимостей следует, что при низком напряжении стабилизации (менее 5 В) ТКН имеет отрицательный знак и при токе около 10мА составляет примерно - 2,1мВ/°С. При напряжении выше 6В ТКН имеет положительный знак и при Uст=l0B достигает значения 6мВ/°С. Выбирая ток стабилитрона, можно добиться почти нулевого значения ТКН. Работа типовой схемы стабилизатора, приведенной на рис. 63(а), происходит следующим образом. Входное напряжение Uвх через ограничительное сопротивление RГ подводится к параллельно включенным стабилитрону Д и сопротивлению нагрузки Rн. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то тоже относится и к напряжению на нагрузке. Если входное напряжение увеличивается, то практически все приращение Uвх передается на сопротивление RГ, что приводит к увеличению тока в нем. Это увеличение тока происходит за счет увеличения тока стабилитрона при почти неизменном токе нагрузки. Для уменьшения нестабильности при изменении входного напряжения используются многокаскадные параметрические стабилизаторы. В таких стабилизаторах выход первого каскада соединен со входом второго и т.д. Основными достоинствами параметрических стабилизаторов напряжения являются простота конструкции и надежность работы. К недостаткам следует отнести небольшой коэффициент полезного действия (не превышающий 0,3), большое внутреннее сопротивление стабилизатора (5-20 Ом), а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис. 64. Выходное напряжение Uвых стабилизатора через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования (сигнала ошибки) УСО, где сравнивается с напряжением Uоп источника опорного напряжения ИОН. С выхода УСО напряжение ошибки поступает на регулирующий элемент РЭ и изменяет его коэффициент передачи. Уравнение компенсационного стабилизатора можно записать, используя схему рис. 64: (37) где Uoп — напряжение опорного источника, Uвых — выходное напряжение стабилизатора, KД — коэффициент передачи делителя напряжения ДН, К0 — коэффициент усиления усилителя сигнала рассогласования УСО и регулирующего элемента РЭ. Из уравнения (37) получаем значение напряжения на выходе стабилизатора: (38) Выходное напряжение компенсационного стабилизатора не зависит от изменения напряжения на входе Uвх и пропорционально опорному напряжению. Иначе говоря, стабильность выходного напряжения компенсационного стабилизатора зависит только от нестабильности элементов, включенных в цепь обратной связи, и не зависит от нестабильности элементов в цепи прямой передачи. В качестве источника опорного напряжения обычно используется один из видов параметрических стабилизаторов, рассмотренных ранее. В этом случае применение делителя напряжения ДН позволяет получать выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника. К напряжению на входе предъявляются требования такие же, как к напряжению питания усилителя: оно должно быть больше, чем напряжение на выходе, хотя бы на падение напряжения на регулирующем элементе. Чем меньше падение напряжения на регулирующем элементе, тем выше будет КПД компенсационного стабилизатора. Поэтому для нормальной работы стабилизатора необходимо выполнение условий Uвх>Uвых>UопUд. По принципу действия компенсационные стабилизаторы делят на две группы: с непрерывным и импульсным регулированием. Основное различие этих стабилизаторов заключается в режиме работы регулирующего элемента: в стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме (т. е. как регулируемое сопротивление), а в стабилизаторах с импульсным регулирования он работает как ключ. 2.2.5 Тема 5 «Индикаторные приборы и их применение» Основу устройств отображения информации составляют индикаторные приборы или элементы индикации, предназначенные для преобразования электрических сигналов в видимую форму. Элементы индикации могут базироваться на различных физических принципах. Индикаторные приборы удобно классифицировать по физическим явлениям, на которых основаны их принципы действия. В соответствии с этим различают: 1) накальные индикаторы, в которых используется свечение разогретой электрическим током металлической нити накаливания; 2) электролюминесцентные индикаторы, в которых применяется свечение некоторых кристаллических веществ под воздействием электрического поля; 3) электронно-лучевые и вакуумно-люминесцентные индикаторы, основанные на свечении люминофора при бомбардировке электронами; 4) газоразрядные индикаторы, в которых используется свечение газа при электрическом разряде; 5) полупроводниковые индикаторы, в которых применяется излучение квантов света при рекомбинации неосновных носителей заряда в р-n-переходе; 6) жидкокристаллические индикаторы, основанные на изменении оптических свойств жидких кристаллов под воздействием электрического поля. В настоящее время для отображения знаковой информации чаще всего применяют полупроводниковые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы, для отображения знаковой и графической информации - электронно-лучевые индикаторы, более сложные приборы с широкими возможностями. Электронно-лучевые индикаторы Электронно-лучевым называют электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ служит подогревный катод. Эмиттированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором — веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путем воздействия на него электрического или магнитного поля специальных (отклоняющих) электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляются с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатические, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением. На рис. 65 схематически показано устройство ЭЛТ с электростатическим управлением. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1—10 мкПа. Металлический катод К, подогреваемый током металлической нити Н, имеет форму стакана. Торцовая поверхность катода оксидирована для уменьшения работы выхода электронов при термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Катод охвачен полым цилиндрическим модулятором М с отверстием на оси. Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал, регулируемый потенциометром R1 в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше плотность электронного потока, прошедшего через отверстие модулятора, и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране ЭЛТ. При определенном значении потенциала модулятора электроны вообще не пройдут через модулятор и экран не будет светиться (трубка заперта). Электроны, прошедшие через модулятор, попадают в электрическое поле первого (А1) и второго (А2) анодов, выполненных в виде полых тонкостенных металлических цилиндров. Анодам сообщают высокие положительные потенциалы от источника питания через делитель R1R2R3 (первому аноду — несколько сотен вольт, второму - до десятков киловольт). Благодаря этому электроны приобретают достаточную для возбуждения атомов люминофора скорость. Форму, размеры и потенциалы анодов рассчитывают так, чтобы сфокусировать пучок электронов на поверхности экрана Э. Регулировкой потенциала первого анода с помощью потенциометра R2 добиваются точной фокусировки. Современные фокусирующие системы обеспечивают диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует единое устройство, называемое электронным прожектором. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов — отклоняющих пластин X и Y (рис. 65), расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Разность потенциалов между пластинами X (горизонтального отклонения) определяет положение луча по горизонтали, а разность потенциалов между пластинами Y (вертикального отклонения) — по вертикали. ЭЛТ с магнитным управлением содержит такой же электронный прожектор, как и ЭЛТ с электростатическим управлением, за исключением второго анода. Вместо него применяют короткую катушку (фокусирующую) с током, надеваемую на горловину трубки вблизи первого анода. Неоднородное магнитное поле фокусирующей катушки, воздействуя на электроны, выполняет роль второго анода в трубке с электростатической фокусировкой. Отклоняющая система в трубке с магнитным управлением выполняется в виде двух пар отклоняющих катушек, также размещаемых на горловине трубки (рис. 66) между фокусирующей катушкой и экраном (на рис. 66 показана одна пара катушек). Магнитные поля двух пар катушек взаимно перпендикулярны, что позволяет управлять положением электронного луча при изменении тока в катушках. Магнитные отклоняющие системы используют в трубках с высоким анодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана, в частности в телевизионных приемных трубках — кинескопах. Поскольку магнитная отклоняющая система размещается вне баллона ЭЛТ, ее удобно вращать вокруг оси ЭЛТ, меняя положение осей на экране, что важно в некоторых применениях, например в радиолокационных индикаторах. С другой стороны, магнитная отклоняющая система инерционнее электростатической и не позволяет перемещать луч с частотой более 10—20 кГц. Поэтому в осциллографах — приборах, предназначенных для наблюдения на экране ЭЛТ изменений электрических сигналов во времени, - применяют трубки с электростатическим управлением. Заметим, что существуют ЭЛТ с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением. Основные параметры ЭЛТ. Цвет свечения экрана может быть различным в зависимости от состава люминофора. Чаще других используют экраны с белым, зеленым, синим, фиолетовым цветом свечения, однако имеются ЭЛТ с желтым, голубым, красным, оранжевым цветом. Послесвечение — время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения электронной бомбардировки экрана. Послесвечение делится на пять групп: от очень короткого (менее 10-5 с) до очень длительного (более 16 с). Разрешающая способность — ширина светящейся сфокусированной линии на экране или минимальный диаметр светящегося пятна. Яркость свечения экрана — сила света, испускаемого 1 м2 экрана в направлении, нормальном к его поверхности. Чувствительность к отклонению — отношение смещения пятна на экране к значению отклоняющего напряжения или напряженности магнитного поля. Газоразрядные индикаторы В газоразрядных индикаторах используется свечение, сопровождающее самостоятельный электрический разряд в газе. Все они относятся к ионным приборам тлеющего разряда и выполняются с холодным катодом. Ионный прибор как разновидность электровакуумных приборов состоит из двух электродов или более, помещенных в стеклянный баллон, обычно заполненный инертным газом при давлении 0,1—1000 Па. Если между электродами приложить напряжение, то в приборе будет наблюдаться электрический разряд — совокупность явлений, имеющих место при прохождении электрического тока через прибор. В зависимости от приложенного напряжения и вида катода в ионном приборе устанавливается тот или иной вид разряда. Для всех видов ионных приборов характерна активная роль положительных ионов газа, наполняющего колбу прибора, в распределении электрического потенциала между электродами, от которого зависит ток. К самостоятельным видам разряда относятся такие, для поддержания которых не требуется внешних источников ионизации газа. Тлеющий разряд как вид самостоятельного разряда возникает между анодом и катодом при напряжении, достаточном для лавинообразного развития процесса ионизации газа движущимися под воздействием электрического поля электронами и процесса выбивания вторичных электронов с катода положительными ионами. Тлеющий разряд сопровождается процессами рекомбинации электронов и ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов и газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя. Так как процессы ионизации и рекомбинации происходят в основном вблизи катода, то свечение наблюдается в прикатодной области. Простейшие приборы этого типа — сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они имеют два металлических электрода, выполненных в виде дисков, стержней и т. д., помещенных в стеклянный баллон, обычно заполненный неоном. Напряжение возникновения разряда в промежутке анод — катод для разных типов ламп колеблется в пределах от 60 до 235 В, рабочий ток — от 0,15 до 30 мА. Пространство вблизи катода светится оранжево-красным светом, наблюдаемым чаще всего через торец лампы, который может быть снабжен линзой. Балластный резистор, который необходимо включать последовательно с лампой, может быть размещен в ее цоколе. Неоновые лампы широко используют в электро- и радиотехнических устройствах, автоматике, вычислительной технике и приборостроении для индикации постоянного и переменного напряжений, особенно часто их применяют в качестве индикаторов напряжения питания (сеть 127 или 220 В). Если на внутреннюю поверхность баллона лампы нанести слой люминофора, то будет получен сигнальный люминесцентный индикатор. Свечение люминофора происходит благодаря воздействию на него ультрафиолетового излучения, возникающего за счет ионизации газа-наполнителя при разряде. Цвет свечения зависит от сочетания типа люминофора и газа-наполнителя и может быть оранжевым, зеленым, желтым или голубым. Лампы этого типа служат для сигнализации в мнемосхемах, световых табло, а также для создания световых мозаик в уличной рекламе и световых газетах. Преимуществами газоразрядных индикаторов являются высокая яркость и контрастность изображения, малая мощность потребления, высокая надежность и простота. К недостаткам газоразрядных индикаторов относится необходимость в источниках напряжения порядка 100—250 В и невозможность прямого подключения их к полупроводниковым микросхемам управления. Полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы Принцип действия полупроводниковых индикаторов основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области p-n-перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод — полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области p-n-перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет излучения определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения. Точечные светодиоды (рис. 67) используют в качестве отдельных индикаторов на пультах и панелях управления и в измерительных приборах, либо в матричных экранах и табло для отображения знаков. Знаковые светодиоды широко применяют для цифровой индикации в измерительных приборах, автоматике и вычислительной технике. Малогабаритные сегментные светодиоды применяют в наручных часах. К достоинствам полупроводниковых индикаторов относится возможность их прямого подключения к полупроводниковым дешифраторам благодаря низкому рабочему напряжению, а также большой срок службы, высокая яркость свечения и хороший обзор. Главный недостаток состоит в сравнительно высокой мощности потребления (0,5—1 Вт на один сегментный светодиод). Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) принципиально отличаются от всех других тем, что не излучают собственный свет, а преломляют падающий или проходящий сквозь них свет. Поэтому для использования ЖКИ необходим внешний источник света. Основой этого вида индикаторов служат жидкокристаллические вещества, обладающие свойствами жидкости и имеющие кристаллическую молекулярную структуру. При этом структура такого вещества легко изменяется под воздействием электрического поля, ультразвука. В ЖКИ используется изменение структуры вещества под воздействием электрического поля, сопровождаемого изменением коэффициента преломления света. По своей конструкции ЖКИ подобен конденсатору, в котором между двумя стеклянными пластинами, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим слоем (электродами), находится слой жидкокристаллического вещества толщиной 10—20 мкм (рис. 68(а)). Один электрод обычно делают прозрачным, а другой — хорошо отражающим свет. Вся конструкция герметизируется. Под воздействием переменного напряжения 10—20 В, приложенного между электродами, изменяются преломляющие свойства жидкокристаллического вещества, уменьшается его прозрачность. Если прозрачные электроды выполнить в виде сегментов, то, подавая напряжение между отражающим электродом и соответствующим сегментом, можно получить темные знаки на светлом фоне. Их достоинства — малая мощность потребления (5—50 мкВт/см2) и большой срок службы. Мощность потребления — наименьшая из всех видов индикаторов. По электрическим параметрам ЖКИ согласуются с микросхемами, выполненными по МОП-технологии. Основные недостатки ЖКИ — необходимость во внешнем источнике света и узкий диапазон рабочих температур (+1ч-+50°С для большинства типов). Система обозначений индикаторных приборов Единой системы условных обозначений индикаторных приборов не существует. Обозначения для электронно-лучевых трубок определяются ГОСТ 13393—76 и состоят из четырех элементов. Первый элемент - число, означающее диаметр или размер диагонали экрана в сантиметрах. Второй элемент - сочетание букв, характеризующих тип трубки: ЛК - кинескопы с магнитным отклонением луча; ЛМ - другие приемные трубки с магнитным отклонением луча; ЛО - трубки с электростатическим отклонением луча; ЛН - запоминающие трубки. Третий элемент - число, означающее порядковый номер данного типа трубки. Четвертый элемент - буква, означающая тип экрана. Например, 65ЛК2Б - кинескоп с прямоугольным экраном, 65 см по диагонали, с магнитным отклонением луча, номер типа - 2, цвет свечения экрана - белый. Другой пример: 16ЛО2А - осциллографическая трубка с прямоугольным экраном, 16 см по диагонали, с электростатическим, отклонением луча, номер типа - 2, цвет свечения экрана - синий. Газоразрядные сигнальные индикаторы обозначают буквами в сочетании с цифрами. Например, МН-7, ТН-20, ТМН-2 - неоновые лампы оранжево-красного свечения в различном конструктивном оформлении. Сигнальные люминесцентные индикаторы обозначают буквами и цифрами: ТЛ - тлеющего разряда, следующая буква означает цвет свечения (О - оранжевый, Г - голубой, 3 - зеленый); первое число после букв означает номинальный ток через индикатор в миллиамперах, второе - условно характеризует напряжение возникновения разряда в сотнях вольт. Например, ТЛО-3-2 - сигнальный люминесцентный индикатор тлеющего разряда, с оранжевым цветом свечения, номинальный ток 3 мА, напряжение возникновения разряда 185 В. Обозначения тиратронов тлеющего разряда состоят из трех элементов: первый элемент - буквы ТХ (тиратрон с холодным катодом); второй элемент - число, означающее порядковый номер типа; третий элемент - буква, определяющая конструкцию баллона. Например, ТХ16Б - тиратрон тлеющего разряда, номер типа - 16, баллон диаметром до 10 мм. Линейные и знаковые газоразрядные индикаторы обозначают буквами ИН и числом, означающим номер типа. Например, ИН-13 - линейный аналоговый индикатор, ИН-20 - линейный дискретный индикатор; ИН-7 - знакобуквенный индикатор; ИН-23 - знаковый сегментный индикатор. Газоразрядные индикаторные панели обозначают буквами ГИП, ГИПС, ГИПП, ИГП в сочетании с цифрами, например ГИП-11, ГИПС-16. Полупроводниковые индикаторы (светодиоды) обозначают буквами АЛ, АЛС, ИЛ, КЛ в сочетании с цифрами, например АЛ305А - знаковый светодиод, красного свечения, с яркостью свечения 350 кд/м2. Обозначения жидкокристаллических индикаторов состоят из четырех элементов: первый элемент - сочетание ИЖК (индикатор жидкокристаллический); второй элемент - буква (Ц - цифровой, С - символьный); третий элемент - число, означающее номер типа; четвертый элемент (после дефиса) - дробь, числитель которой указывает число разрядов индикатора, а знаменатель - высоту знака в миллиметрах, например ИЖКЦ4-6/17 - шестиразрядный индикатор, цифровой, с высотой знака 17 мм. Вакуумно-люминесцентные индикаторы обозначают буквами ИВ, ИВЛШ, ИВЛШУ, ИЛТ, ИЛМ в сочетании с цифрами, означающими номер типа. Например, ИВ-17, ИВ-23, ИВЛШ1-11/1, ИЛТ5-ЗОМ. Два последних относятся к шкальным и мнемоническим индикаторам. Электролюминесцентные индикаторы обозначают буквами ИЭЛ в сочетании с буквами и римскими цифрами. Например, ИЭЛ-Р-ХII, ИЭЛ-И-I. Знаковые накальные индикаторы, так же как и вакуумно-люминесцентные, обозначают буквами ИВ в сочетании с цифрами, например ИВ-10, ИВ-20. Лампы накаливания имеют разнообразные обозначения. Так, лампы серии А - автомобильные; СГВ - навигационные, СМ - самолетные; ОН и СЦ - для оптических приборов; Р - малогабаритные; Ж и ЖС - железнодорожные; К, КГМ и КИМ - кварцевые галогенные и т. д.