Учебно-методический комплекс по дисциплине Электроника
Скачать 1.26 Mb.
|
3.2.5. Ключ на КМОП - транзисторах с индуцированным каналомБуква К обозначает, что в ключе применена пара из двух транзисторов с разным типом проводимости. Такая пара называется комплементарной. Схема ключа. Интервал I входной ключ управления переключен вверх, II на общей точке. Часто наличие на входе напряжения какой-то величины обозначают единицей, нулевое напряжение обозначают нулем. Uвых рисуется, оценивая состояние каждого полевого транзистора при подаче на вход единичного или нулевого напряжения. Схема замещения для I интервала, для II интервала. Состояние ключей определяется по входным характеристикам. Когда состояние выхода ключа противоположно состоянию входа, ключ называется инвертором. В настоящее время выпускаются МОП-транзисторы на напряжения до 1000В и токи до сотен ампер при рабочей частоте 30…100кГц, управление от цифровых микросхем с напряжением питания 5В. Разработан составной транзистор из комбинации МОП-транзистора с биполярным. Название такого транзистора: биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). 3.2.6. Переключатели аналоговых сигналов Примеры, где применяются переключатели: подключение измерительного прибора к цепям с аналоговыми сигналами; процедура модуляции сигналов; переключения в устройствах контроля параметров работы различных схем электрооборудования и др. Идеальные переключатели - это полевые транзисторы. Обычно применяются полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы обеспечивают изоляцию цепи управления ключом от цепи входного переключаемого сигнала. Самый распространенный ключевой элемент - это полевой транзистор (с изолированным затвором и индуцированным каналом). Транзистор с индуцированным каналом наиболее подходит, так как он может обрабатывать сигналы любого знака и является нормально закрытым. С  хема простейшего аналогового переключателя показана на следующем рисунке: Для этого переключателя:  Uвх, при замкнутом VT;Uвых= 0, при разомкнутом VT. Для сравнения приводим соотношения для логического ключа: 1, при замкнутом VT;Uвых= 0, при разомкнутом VT. Отсюда видно основное различие между ключами. Для отпирания полевого транзистора VT на затвор нужно подать напряжение, которое отрицательнее напряжения на остальных электродах (сток и исток VT взаимозаменяемы) на величину порогового напряжения U  пор. Для VT p-типа Uпор<0, а характеристика имеет вид: Чем больше соотношение Uз>Uпор, тем меньше сопротивление канала. Подложку полевого транзистора обычно подключают к источнику постоянного напряжения. Это позволяет исключить влияние подложки на передачу Uвх. Для правильной работы переключателя с каналом p - типа необходимо выполнять несколько условий: 1. Для разомкнутого состояния VT на затворе требуется напряжение Uз выклUпoр+Uвх мах. Например, при Uпoр=–5В для входного напряжения -10В, на затвор необходимо подать Uз выкл–5В+(-10В)=–15В, т.е. –14В, –13В и т.д. Для входного напряжения +10В, на затвор необходимо подать Uз выкл–5В+ (+10В)=+5В, т.е. +6В, +7В и т.д. Соответственно для переключения знакопеременного сигнала на затвор надо подавать большее из этих расчетных напряжений, например, +10В. 2. Для замкнутого состояния VT: Uз вклUпoр+Uвх min. Например, при Uпoр=–5В для переключения –10В на затвор необходимо подать Uз вкл=–10В+(-10В)=–20В. Здесь имеется в виду, что при Uпoр=–5В для обеспечения проводимости ключом требуемого тока Ic в соответствии с входной характеристикой на затвор подается напряжение с запасом по сравнению с Uпoр, например, –10В. С  опротивление проводящего канала транзистора изменяется нелинейно при изменении напряжения на затворе относительно стока или истока. Для уменьшения нелинейности применяют ключ на двух транзисторах с каналами разных типов. Транзисторы включаются параллельно. При этом изменение переключаемого Uвх при конкретном напряжении на затворе влияет на сопротивление канала противоположным образом, поэтому сопротивление канала меняется меньше при изменении Uвх. В данном случае ключ будет иметь вид: Подобные ключи выпускаются в виде микросхемы, например отечественная микросхема К176КТ1. 3.3. Охлаждение полупроводниковых приборов В маломощных схемах транзисторы редко рассеивают мощность более 100мВт. Распространение тепла вдоль проводников и конвекция от корпуса транзистора в окружающий воздух при этом оказываются достаточными, чтобы избежать перегрева p-n перехода. Транзисторы, на которых рассеиваются большие мощности, например, в мощных источниках питания и в выходных каскадах усилителей мощности, требуют применения специальных средств для отвода тепла. Обычно теплоотводы (радиаторы) используются с транзисторами, конструктивное исполнение которых предполагает их работу с радиаторами. Радиатор часто имеет ребристое исполнение и обычно он закрепляется на заземленном металлическом корпусе установки, которая сама может служить теплоотводом. Во всех случаях необходимо помнить, что корпус транзистора обычно соединен с коллектором и поэтому необходима электрическая изоляция между корпусом транзистора и радиатором. Слюдяные или лавсановые прокладки с нанесенной на каждую сторону теплопроводящей пастой гарантируют хороший тепловой контакт. Качество теплоотвода обычно характеризуется величиной теплового сопротивления, которое учитывает тот факт, что скорость распространения тепла пропорциональна разности температур между источником тепла и внешней средой. В соответствии с этим понятием тепловое сопротивление равно разности температур, деленной на величину рассеиваемой мощности, и измеряется в оС/Вт. Таким образом, корпус теплоотвода, имеющий тепловое сопротивление 3 оС/Вт, при рассеиваемой мощности 30Вт будет нагреваться до температуры на 90 оС выше температуры окружающей среды. Полное тепловое сопротивление транзистора на теплоотводе состоит из последовательного соединения тепловых сопротивлений между полупроводниковым кристаллом и корпусом, корпусом и радиатором, радиатором и окружающей средой. Максимальная температура полупроводникового кристалла обычно составляет 150 оС, а температуру окружающей среды можно принять равной 50 оС (это температура, при которой допускается работа электронной аппаратуры общего назначения). Производители транзисторов, как правило, указывают безопасную максимальную температуру корпуса для своих транзисторов в 125 оС, кроме того, теплопроводность от корпуса транзистора к радиатору обычно столь хороша, что в большинстве вычислений можно учитывать только тепловое сопротивление между радиатором и воздухом рв. Зная мощность Р, рассеиваемую транзистором, и полагая, что температура окружающей среды равна 50 оС, можно найти температуру корпуса транзистора: Тк=50+(Р*рв). Сверяясь с данными производителя, теперь можно выяснить, сможет ли рассматриваемый транзистор рассеивать требуемую мощность при найденной температуре корпуса. Если это не так, то тепловое сопротивление рв должно быть уменьшено путем применения большего радиатора. Большие ребристые радиаторы для мощных транзисторов обычно имеют тепловое сопротивление 2…4 оС/Вт, которое можно уменьшить до 1 оС/Вт с помощью принудительного охлаждения. 4. ТИРИСТОРЫ 4.1. Принцип работы тиристора Тиристор является четырехслойным прибором. Создается исключительно на основе кремния. Его структура показана на рис. Очень удачным подходом к объяснению принципа действия тиристора является представление его четырех слоев в виде двух взаимосвязанных транзисторов:  Цепь управляющий электрод-катод (УЭ-К) является диодным переходом. В эту цепь допустимо подавать напряжение и управляющий ток только в направлении проводимости этого перехода. При отсутствии тока управления тиристор не проводит при любом знаке напряжения UАК, при условии, что это напряжение не превышает допустимых значений. Допустимые значения оговариваются классом прибора. Обратная ветвь ВАХ такая же, как у диода. Подавая ток управления, прямую ветвь можно изменять. Если подается номинальный ток управления, то прямая ветвь ВАХ превращается в диодную. Тиристор является полууправляемым прибором, т.к. снятие тока управления у проводящего тиристора не приводит к восстановлению прямой ветви. Тиристор является ключевым прибором и управляется импульсами тока управления. Переход с характеристики Iупр=0 на характеристику Iупр.ном происходит очень быстро. 4.2. Основные параметры тиристоров 1. Класс. Так же, как и у диода, класс характеризует максимальное повторяющееся напряжение, которое можно прикладывать к прибору как в прямом так и в обратном направлении и при этом он остается в непроводящем состоянии. Uкл=Umax/(1,5…2), Umax=Uпр.maxUобр.max. Классы от 0,5 до 20. Uкл=Кл100 В. 2. Ток прямой номинальный. Это допустимый средний ток в открытом состоянии. Диапазон токов: 100мА…1000А. Ток оговаривается при естественном и принудительном охлаждении. Принудительное охлаждение потоком воздуха применяется для мощных приборов. При этом оговаривается скорость воздуха. 3. Прямое падение напряжения в открытом состоянии Uпр. откр. Uпр.откр.=0,8...1,2V. 4. Допустимая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре в прямом направлении du/dt. Параметр du/dt приводится в справочнике. du/dt=100…2000В/мкс. Тиристор имеет паразитные межэлектродные емкости - рис. 65. При приложении крутого фронта прямого напряжения может произойти самопроизвольное включение тиристора. Для ограничения du/dt параллельно тиристору подключают конденсатор определенной емкости. Последовательно с конденсатором включают небольшое сопротивление, т.к. при включении тиристора конденсатор разряжается на него и R необходимо для ограничения тока разряда. Диод параллельно R обычно не ставят. Обычно С=0,2…2мкФ, R=10…100ом мощностью до 25Вт. R-C цепь параллельно тиристору можно не ставить, если выбирается тиристор с большим запасом по классу. Это существенно снижает габариты преобразовательного устройства. 5. Допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор di/dt. При включении тиристора средней и большой мощности ток вначале начинает концентрироваться около управляющего электрода, а затем распределяется по всей полупроводниковой структуре. Концентрация тока, нарастающего с большой скоростью около управляющего электрода, может привести к прожогу структуры. Если di/dt ограничено, то ток успевает распределиться по структуре и разрушения полупроводника не будет. Для ограничения di/dt последовательно с тиристором включается индуктивность L. Часто в качестве L выступает индуктивность трансформатора питания. 6. Время включения tвкл. Это интервал времени между началом импульса управления и моментом, когда напряжение на тиристоре снизится до 0,1 от напряжения питания. Составляет несколько мкс. 7. Время выключения tвыкл. Это интервал времени от момента перехода тока анода через ноль до момента приложения к нему прямого напряжения, не вызывающего его отпирания. В несколько раз больше времени включения. Для приборов средней мощности tвыкл=50…300мкс. 8. Ток управления Iупр. Различают Iупр.длит. и Iупр.имп. Iупр.имп=20…1000мА. 9. Ток удержания Iуд. Это минимальное значение прямого тока, при котором тиристор остается в открытом состоянии. Обычно IудIупр.длит. Пример обозначения тиристора: ТХ-100-10-ХХХ. Здесь ТХ - обозначение разработки тиристора, 100 -номинальный ток тиристора в А, 10 -класс тиристора, ХХХ -цифры, регламентирующие параметры du/dt, di/dt, tвыкл. 4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель Система управления СУ формирует управляющие импульсы, которые могут сдвигаться по фазе на угол относительно напряжений U1,U2 в функции сигнала управления Uу. Для того, чтобы СУ имела точку отсчета для угла (точка перехода синусоиды питающего напряжения через ноль), в СУ вводится сигнал синусоидального напряжения синхронизации Uсинхр, фаза которого жестко связана с напряжением питания. Угол называется угол управления, причем всегда 1=2==0. Схема позволяет регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. 4.4. Регулятор переменного напряжения Регулируется мгновенное и действующее значения напряжения на нагрузке. Тиристор, который работал, выключается, когда iн=0. Диапазон изменения угла управления =0. При =0 на нагрузке полное синусоидальное напряжение. При = напряжение на нагрузке равно 0. Нарисуйте диаграмму напряжения на тиристоре VS1. 5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 5.1. Общие положения Понятие интегральныеозначает, что на одном полупроводниковом кристалле с помощью лазерной обработки, напыления, лигирования и других технологических процессов реализуется большое количество элементов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы. Все элементы выполнены на одном основании, поэтому очень велика температурная стабильность работы элементов. Понятие микросхема означает, что все элементы имеют очень малые размеры, оперируют малыми напряжениями и токами: (токи - доли mA... mA, напряжения - единицы и десятки B). Очень распространены напряжения питания 5B,15B. Различают аналоговые и цифровые микросхемы. Аналоговые: операционные усилители, компараторы, перемножители. Цифровые: логические элементы, элементы с памятью и др. 5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители На изображении операционного усилителя Вх1-инвертирующий, Вх2 -неинвертирующий. На изображении операционного усилителя могут быть отражены еще некоторые выводы: выводы питания, вывод балансировки (установка 0 на выходе ОУ), выводы коррекции частотной характеристики. У некоторых ОУ выводы коррекции могут отсутствовать, т.к.они имеют внутреннюю коррекцию. Обозначение ОУ: КХХХУДY. XXX -три цифры серии, Y-разработка в серии. Очень популярный ОУ: К 140УД 7. 5.2.1. Свойства ОУ 1. Коэффициент усиления Ку. Ку=50000...500000. Ку=Uвых/UвхUвых/Uвх. 2. Входное сопротивление Rвх. Rвх=Uвх/Iвх.
Практическая трактовка свойств ОУ
Uвх=Uвых/Ку=10/ (100000) =0,0001В=100mkВ0. Это означает, что напряжение между входами ОУ близко к нулю. Примечание: это свойство справедливо, пока ОУ находится в линейном режиме, т.е. UвыхUвых.max =12...13В.
т.е. входные выводы ОУ тока не потребляют: Iвх1=Iвх2=0.
5.2.2. Основы схемотехники ОУ Современные операционные усилители имеют не менее трех каскадов усиления. Входной дифференциальный каскадОсновой его является усилительная схема на двух транзисторах. Схема входного дифференциального каскада. Реализация источника тока I0. Ввиду полной идентичности транзисторов ток I0 делится между эмиттерами транзисторов поровну.Рассмотрим случай при Uвх=0. Т.к. эмиттерные токи VT1 и VT2 равны I0/2, то коллекторные токи также равны I0/2 (пренебрегаем малыми базовыми токами). Uвых=Uвых1Uвых2=0. Под действием положительного входного напряжения VT1-открывается, VT2-закрывается. Uвых= Uвых1Uвых20 - баланс нарушен. Недостатки такого дифференциального каскада: 1. Выходное напряжение снимается между коллекторами, т.е. не привяза- но к общей точке. 2. Низкий коэффициент усиления по напряжению при малом уровне тока I0 и конечных сравнительно низких номиналах Rк1 и Rк2. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины «Электротехника и электроника» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, утвержденного приказом... |  | Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптическая и квантовая электроника Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «материалы и элементы электронной техники» Дисциплина «материалы и элементы электронной техники» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин направления 210100 «Электроника... | | Учебно-методический комплекс ростов-на-Дону 2009 Учебно-методический... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Адвокатская деятельность и адвокатура» разработан в соответствии с образовательным стандартом... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Макроэкономика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Примерная структура, состав и содержание учебно-методического комплекса... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Социология рекламной деятельности» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психодиагностика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы нейропсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психология стресса» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы патопсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
