1. Изоляционное основание, 2 - вывод,

3. — контактный слой, 4 - проводящий слой.

Переменные непроволочные резисторы

Для плавного изменения напряжений постоянного и переменного тока в регулиру­емых цепях электронной, измерительной и радиотехнической аппаратуры широко применяют переменные непроволочные резисторы промышленного изготовления типов ВК, ТК, СП и спо.

П роводящим слоем переменных резисторов служит углеро­дистый или композиционный состав, нанесенный на гетинак- совое основание (дужку). Дужка у резисторов ВК, ТК и СП (рис. 4) приклеена к цилиндрическому корпусу из пластмассы. У объемных резисторов СПО проводящий слой впрессован в дугообразную канавку керамического корпуса.

Переменные резисторы имеют три вывода:

Рис. 4 два от концов проводящего слоя и один от движка, при вращении

которого изменяется сопротивление между средним и крайними выводами:

Переменные непроволочные резисторы, как и постоянные, различают по номинальной мощности рассеяния (их выпускают мощностью 0,15-2 Вт) и номинальной величине сопротивления (470 Ом — 7,5 МОм). Кроме того, их различают по характеру изменения величины сопротивления. В соответствии с этим их делят на три группы: А - с линейной, Б - с логарифмической, В - с показательной зависимостью изменения величины сопротивления от угла поворота оси.

Резисторы группы А применяют ^различной аппаратуре (например, в телевизорах - для регулировки яркости, размера строкО^Они удобны в тех случаях, когда напряжение в цепи желательно изменять по линейному, закону, т. е. пропорционально углу поворота оси. Резисторы группы Б используют в специальных случаях, когда необходимо, чтобы напряжение в начале поворота оси по часовой стрелке возрастало более резко, чем в конце. Резисторы группы В имеют обратный характер изменения, т.е. величина их сопротивления

при повороте оси по часовой стрелке возрастает в начале менее резко, чем в конде!7Эти резисторы применяют в качестве регуляторов громкости.

Постоянные проволочные резисторы

В радиоэлектронной аппаратуре постоянные проволочные резисторы применяют в цепях постоянного тока и переменного тока низкой частоты. Чаще всего их используют в цепях питания радиоустройств, а также во всех случаях, когда требуется обеспечить высокую стабильность параметров электрической цепи при значительной рассеиваемой мощности. Особенно широко их применяют в измерительных приборах в качестве добавочных сопротивлений и шунтов.

Промышленность выпускает проволочные резисторы ПЭ (проволочные эмалирован­ные), которые предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока часто­той 50 Гц. Выводные концы этих резисторов выполнены в виде гибких многожильных жгутов из мягкой медной проволоки.

Широко используют резисторы ПЭВ (проволочные эмалированные влагостойкие) с номинальным сопротивлением 5 Ом — 56 кОм на допустимые мощности рассеяния 2,5 — 100 Вт, рассчитанные на работу в интервале температур от —60 до +100° С. Выводными концами этих резисторов служат латунные пластинки с отверстиями для подпайки к ним внешних проводов схемы.

Применяют также резисторы ПЭВ-Х (проволочные эмалированные влагостойкие с передвижным хомутиком). Они отличаются передвигающимся хомутиком, который может бьггь использован для регулировки величины сопротивления, и выпускаются следующих типов: ПЭВ-10Х, ПЭВ-15Х, ПЭВ-20Х, ПЭВ-25Х, ПЭВ-ЗОХ, ПЭВ-50Х и ПЭВ-100Х. Резисторы ПЭВ-Х рассчитаны на тот же интервал рабочих температур и имеют такие же выводы, как и резисторы ПЭВ.

В последние годы стали применять проволочные резисторы С5-16Т (постоянные проволочные низкоомные малогабаритные); ПТМН (постоянные проволочные); С5-5; С5- 5Т (постоянные проволочные малогабаритные).

Переменные проволочные резисторы в потенциометры

Для работы в цепях постоянного тока в качестве делителей напряжения или переменных активных резисторов применяют переменные проволочные резисторы и по­тенциометры.

Переменные проволочные резисторы выпускаются самого разнообразного назначения и в различных конструктивных исполнениях. Наиболее распространены переменные' проволочные резисторы мощностью 0,5-5 Вт открытого и закрытого исполнения для навесного и печатного монтажа.

С целью повышения плотности монтажа проволочные резисторы часто изготовляют в прямоугольных корпусах с прямолинейным перемещением скользящего контакта и в квадратных корпусах с его круговым перемещением. К проволочным резисторам с прямолинейным перемещением скользящего контакта относят типы СП5-14 для печатного монтажа и типы СП5-1, СП5-4. СП5-15 для навесного монтажа.

К проволочным резисторам с круговым перемещением скользящего контакта относят резисторы СП5-2 (для печатного монтажа) и СП5-3 (для навесного монтажа), а также однооборотные проволочные резисторы типа СП5-16ТА (для печатного монтажа) и типа СП5-16ТБ (для навесного монтажа). В радиоэлектронной аппаратуре часто используют проволочные резисторы различных типов. Наиболее распространены резисторы типов РП, ППБ, ПП, П'ПЗ-40, ППЗ-47.

Потенциометр предназначен для плавного или скачкообразного изменения электри­ческого напряжения и является регулируемым делителем напряжения, построенным из

активных проволочных сопротивлений^ Проволочные потенциометры, имеющие наибольшее распространение, делятся на однооборотные и многооборотные. Эта группа потенциометров наряду с электрическими и точностными параметрами характеризуется конструктивно-технологическими признаками.

Однооборотный проволочный потенциометр представляет собой резистивный элемент из проволоки малого диаметра с высоким омическим сопротивлением, намотанной в один ряд на изолированный каркас. При перемещении движка (рис. 5) по обмотке изогнутый конец потенциометра касается следующего витка проволоки 2 прежде, чем сходит с предыдущего, поэтому в момент перехода с витка на виток контакт не нарушается.

П

Рис. 5. Схема перемещения движка по обмотке потенциометра: 1 - движок; 2 — проволока; 3 — изо­ляционный слой (эмаль), 4 - каркас

отенциометры, применяемые в радиотехнической аппаратуре и вычислительной технике, представляют собой отдельный прибор с большим количеством деталей (чаще всего с компенсирующими элементами), заключенный в кожух вместе с контактной группой.

? ^ S

Рис. 6. Схема потенциометра с прямолинейным перемещением движка: 1 - сопротивление, 2 - движок,

3. - каретка; 4 - винт, 5 - направляющая

В зависимости от конструкции каркаса потенциометры разделяют на кольцевые, дуговые, пластинчатые и стержневые^Каркас может иметь круглую, прямоугольную, овальную, эллиптическую и другие формы поперечного сечения. Потенциометры каждого из указанных видов могут быть одинарными, двойными и тройными. Одинарные потенциометры применяют особенно широко - они составляют более 80% всех выпуска­емых проволочных потенциометров, примерно 10% приходится на двойные потенцио­метры. По способу перемещения движка потенциометры делят на четыре группы.

К первой группе относят потенциометры с прямолинейным перемещением движка 2 (рис. 6). Движок перемещается по ребру каркаса с обмоткой, зачищенной от эмали. Сообщить движку строго регламентированное прямолинейное перемещение, что особенно важно для вычислительных устройств и следящих систем, конструктивно и техноло­гически значительно сложнее, чем сообщить контакту вращательное движение (кольцевые потенциометры). Поэтому потенциометры с прямолинейным перемещением движкя при­меняют главным образом в тех случаях, когда выходной элемент сопрягаемого устройства также передвигается прямолинейно.

Ко второй группе относят кольцевые потенциометры с ограниченно круговым перемещением движка. Их конструкция принципиально не отличается от конструкции потенциометров первой группы. Каркас прямоугольного сечения из листового изоляционного материала изогнут в виде кольца и смонтирован в корпусе (рис. 7). Движок

*

скользит по верхнему ребру резистивного элемента от упора до упора на определенный угол (обычно 330°).

К третьей группе относят потенциометры, резистив­ный элемент которых представляет собой каркас кольцевой формы с обмоткой, Каркасы таких потенцио­метров изготовляют из пластмасс или алюминиевых сплавов, покрытых изоляционным лаком. Движок может перемещаться на любой угол.

Четвертую группу составляют потенциометры, выходное напряжение которых изменяется по синусоиде Рис. 7. Кольцевой потенциометр или другой тригонометрической функции,

с ограниченно круговым пере- Такие потенциометры наматывают на каркас из мещением движка плоского листа изоляционного материала, изоляцию

на проволоке обмотки зачищают по окружности в месте

касания токосъемного элемента.

Конденсаторы, классификация, характеристика

• В радиоаппаратуре применяют разнообразные конденсаторы. По конструкции и назначению их разделяют на постоянные, имеющие постоянную величину емкости, подстроечные (полупеременные), позволяющие изменять емкость в небольших пределах, и переменные, допускающие изменение емкости в значительных пределах.

.-Конденсаторы постоянной емкости используют в качестве элементов колебательных контуров, настроенных на фиксированную частоту; элементов связи; для компенсации изменений параметров других элементов контура при воздействии повышенной или пониженной температуры; в качестве разделительных, блокировочных. Разнообразие функций привело к созданию различных типов конденсаторов постоянной емкости, которые изготовляются по соответствующим ГОСТам или техническим условиям на специализированных предприятиях.

/ Подстроечные конденсаторы изменяют свою емкость в процессе регулировки изделия; при эксплуатации их емкость остается постоянной. Конденсаторы этого типа применяют при регулировке для компенсации отклонений параметров других элементов схемы аппарата. Их широко используют в схемах с плавным изменением частоты для компенсации разброса начальной емкости схемы, установки требуемой вели­чины емкостной связи, настройки контуров на требуемые фиксированные частоты и для других целей.

• Конденсаторы переменной ем#ости применяют главным образом для плавной настройки колебательных контуров в пределах некоторого диапазона частот. fjff ^Свойства конденсаторов характеризуются следующими основными параметрами: поминальной емкостью и допускаемыми отклонениями ее фактической величины от номи­нальной; электрической прочностью; сопротивлением изоляции; потерями; предельной реактивной мощностью; собственной индуктивностью; параметрами, характеризующими ^стабильность емкости при воздействии температуры (температурный коэффициент емко­сти - ТКЕ), влажности и других климатических и механических факторов; размером; шссой; стоимостью.

^Номинальная емкость конденсатора зависит от геометрических размеров его обкла­док, расстояния между ними и материала диэлектрика. При увеличении диэлектрической проницаемости диэлектрика повышается емкость конденсатора. Для каждого типоразмера

номинальную емкость выбирают в соответствии со специальной шкалой, являющейся общесоюзным стандартом. Эта величина обозначается на корпусе конденсатора.

_г Допускаемое отклонение емкости (допуск) - это максимальное отклонение в процентах фактической емкости конденсатора от номинальной. Допускаемые отклонения определяют классы точности. На практике применяют следующие классы точности:

Класс точности О I II III

Допуск, % ±2 ±5 ±10 ±20

Выбор конденсатора того или иного класса точности определяется его местом в схеме. Конденсаторы класса I используют, например, в колебательных контурах и тех участках схемы, где необходима повышенная точность работы. В цепях, где даже относительно большое изменение емкости мало влияет на работу схемы, (например, в развязывающих и блокировочных), применяют конденсаторы III класса.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется:

£ номинальным напряжением^- наибольшим напряжением, приложенным к обкладкам ' конденсатора, при котором он надежно и длительно работает в условиях, установленных для него рабочих температур. Для большинства типов конденсаторов указывают номи­нальное рабочее напряжение постоянного тока. Переменное напряжение (действующее) на конденсаторе должно быть в 1,5 — 2 раза меньше рабочего напряжения для постоянного тока. При работе конденсатора в цепи пульсирующего тока сумма постоянного напряжения и амплитудного значения переменного не должна превышать номинального рабочего напряжения. Конденсаторы широкого применения выпускают на номинальные рабочие напряжения от единиц вольт до десятков киловольт;

• испытательным напряжением - максимальным напряжением, которое конденсатор выдерживает, не теряя электрических свойств в течение небольшого промежутка времени (от нескольких секунд до нескольких минут). Это напряжение характеризует электричес­кую прочность конденсатора при кратковременных перегрузках;

• пробивным напряжением - номинальным напряжением, при котором происходит пробой диэлектрика.

. Сопротивление изоляции конденсатора электрическому току определяется качест­вом диэлектрика и его размерами. Этот параметр позволяет узнать величину утечки тока через конденсатор и установить надежность его в том или ином участке схемы. Наибольшим сопротивлением изоляции (десятки тысяч мегом) обладают пленочные стирофлексные конденсаторы, наименьшим — электролитические.

j Потери в маломощных конденсаторах вызывают замедленную поляризацию и проводимость диэлектрика. Потери в обкладках и выводах таких конденсаторов от­носительно малы. Вследствие потерь конденсатор нагревается. Потери в конденсаторах оцениваются тангенсом угла потерь (tg<5), который дополняет угол сдвига фаз (р между переменным напряжением- и током до 90°. Величина, обратная (tg S), называется добротностью конденсатора (Q_c). На величину потерь значительное влияние оказывают влажность и температура. Малые потери не влияют на емкость конденсатора, при значительных потерях возникает зависимость его эквивалентной емкости от частоты. При повышении частоты эквивалентная емкость уменьшается, особенно это характерно для электролитических конденсаторов.

• Предельная реактивная мощность - наибольшая реактивная мощность, при которой конденсатор длительно и надежно работает без изменений своих параметров. Она прямо пропорциональна квадрату переменного напряжения, приложенного к конденсатору, его частоте и емкости. Этим параметром характеризуются только те типы конденсаторов, которые предназначены для работы при больших напряжениях на высоких частотах (слюдяные, керамические, с газообразным диэлектриком).

• Собственная индуктивность конденсатора слагается из индуктивности его рабочего элемента и индуктивности внешних и внутренних его проводников. Чем меньше размеры конденсатора и чем короче и толще выводы и внутренние соединительные проводники, тем меньше собственная индуктивность.

Собственной индуктивностью конденсатора ограничивается верхний предел частоты, на которой их можно применять. Значение максимальной рабочей частоты определяется резонансной частотой колебательного контура, образованного емкостью и собственной индуктивностью конденсатора. Для большинства конденсаторов небольшой емкости резонансная частота превышает 1-10 МГц. Конденсаторы можно применять и на частоте в

2. 3 раза меньшей, чем собственная резонансная. Предельная частота для бумажных конденсаторов - около 1 -1,5 МГц, специальных бумажных (малых габаритов) - до 30-80 МГц, специальных слюдяных - до 150-250 МГц, специальных керамических - до 2000- 3000 МГц.

1. Температурный коэффициент емкости конденсатора характеризует обратимые изменения в нем, которые происходят вследствие изменения температуры на 1°С, т. е.

ТКЕ = —,

CAt

где АС— изменение емкости при изменении температуры на At С', С — емкость при нормальной температуре.

Обратимостью изменения емкости с изменением температуры обладают керамичес­кие и слюдяные конденсаторы. ТКЕ бумажных, металлобумажных, электролитических и некоторых видов пленочных конденсаторов зависит от интервала температур, а изменение" емкости этих конденсаторов необратимо.

На принципиальной схеме конденсатор обозначают буквой С с цифровым или буквенным индексом и указывают его емкость. Емкость от 1 до 10 000 пФ обозначают в пикофарадах, а от 10000 пФ и более - в микрофарадах, не указывая в обоих случаях единицы измерения. Если емкость составляет целое число микрофарад, то после ее значения ставят запятую и нуль. Емкости, выраженные долями пикофарады или целым числом с долями, обозначают в пикофарадах, указывая единицы измерения.

У конденсаторов переменной емкости и подстроечных указывают либо минимальную и максимальную емкости, либо только максимальную. У электролитических кон­денсаторов рядом с обозначением емкости часто указывают рабочее напряжение, например конденсатор 5 мкФ на рабочее напряжение 450 В обозначают 5,0 (450 В).

Конденсаторы постоянной емкости

XJB конденсаторах этого типа в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу, полистироловую пленку, слюду, керамику и окись алюминия. В зависимости от кбнструкции, параметров и назначения конденсаторы .постоянной емкости подразделяют на низко- и высокочастотные. К низкочастотным относят конденсаторы с бумажными диэлектриками типов БМ, БГМ, КБГ, ЭТО; к высокочастотным — конденсаторы слюдяные и стеклоэмалевые КСО, СГМ, КСГ, КС; керамические КТН, КТП, КТК, КТМ, КДС, КОБ, КДК, КДО, КДУ; пленочные и металлопленочные ПО, ПМ, ПСО, ПС, МПГ и др. Рассмотрим основные типы конденсаторов постоянной емкости.

диэлектрика их используют главным образом в цепях высокой частоты, а в остальных цепях радиотехнической аппаратуры - только в качестве разделительных и переходных.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы (рис. 8, г) представляют собой керамическую пластинку или трубку с обкладками из тонкого слоя металла, обычно из серебра, нанесенного при высокой температуре методом вжигания. Эти конденсаторы имеют очень малые потери на высоких частотах и широко используются в диапазоне УКВ. Емкость их с течением времени не изменяется.

2. 4 При высоких температурах и быстрых изменениях давления керамический конден­сатор приобретает пьезоэлектрические свойства. В нем могут самопроизвольно возникать напряжения, которые впоследствии оказываются источниками помех в схемах с низким отношением сигнала к помехе и уменьшают срок службы конденсатора. По эксперимен­тальным данным срок службы конденсаторов обратно пропорционален кубу напряжения. Керамические конденсаторы относительно хрупки, легко повреждаются при ударах и вибрациях. Применяют различные конструкции керамических конденсаторов постоянной емкости - трубчатые, дисковые, опорные и проходные. Характеристики каждого типа конденсатора могут быть различными и зависят от используемого керамического материала, технологии производства и т. д. В зависимости от величины температурного коэффициента емкости керамические конденсаторы разделяют на шесть групп» каждая из которых имеет соответствующий цвет окраски корпуса или маркировочной точки. Для работы в цепях постоянного и переменного токов в качестве контурных, раздели­тельных и блокировочных элементов применяют конденсаторы КТМ (керамические трубчатые малогабаритные), КДМ (керамические дисковые малогабаритные), КТК. (конденсаторы трубчатые керамические), КДК (конденсаторы дисковые керамические), КДУ (керамические дисковые ультракоротковолновые), КДС (керамические дисковые сегнетоэлектрические).

В цепях постоянного и пульсирующего тока в качестве фильтровых конденсаторов используют различные виды конденсаторов КОБ (керамические опрессованные бочоноч­ные). В колебательных контурах, анодных, сеточных и фидерных цепях применяют разнообразные конденсаторы КВКТ (конденсаторы высоковольтные керамические трубчатые), а также КВКБ (конденсаторы высоковольтные керамические бочоночные).

Как уже указывалось, основными требованиями, предъявляемыми к радиодеталям, являются малый объем и повышенная надежность. Для конденсаторов эти требования сводятся к необходимости повышения их удельной емкости, верхнего предела рабочей температуры, механической прочности и влагостойкости. Современные керамические материалы, имеющие диэлектрическую проницаемость от 14 до 4000, позволяют изготовить конденсаторы с большой удельной емкостью.

• На базе новейшей технологии был создан конденсатор КЛГ, отличившийся малыми размерами и большой удельной емкостью. Он состоит из керамического корпуса, металлических элементов, двух контактных узлов с выводами и изоляционно-защитного покрытия. Корпус представляет собой прямоугольную призму из керамического материала, который служит одновременно и диэлектриком. Узкие прорези прямоугольного сечения образуют в призме ряд тонких керамических пластин. Ширина прорезей 100 — 200 мкм, а толщина керамических пластин 140-510 мкм.

С некоторым приближением электрическая схема конденсаторов КЛГ может быть представлена в виде некоторого числа п плоских параллельно соединенных конденсаторов. Контактные узлы этих конденсаторов в зависимости от назначения последних могут быть выполнены в четырех конструктивных вариантах.

Первый вариант контактного узла имеет медные или латунные проволочные выводы диаметром 0,6 мм, припаянные перпендикулярно граням конденсатора. Этот вариант применяют наиболее часто, так как он обеспечивает высокую механическую прочность узла. В целях предохранения от коррозии выводы покрыты тонким слоем серебра.

Второй вариант конструкции контактного узла (с проволочными выводами, расположенными вдоль грани конденсатора), применяется в основном при использовании конденсаторов в печатном монтаже. Прочность узла достаточно высока, если нагрузка приложена вдоль оси вывода. Приложение растягивающего усилия, направленного перпендикулярно оси вывода (и плоскости грани конденсатора), не допускается, так как при этом при относительно небольших усилиях произойдет обрыв вывода.

Третий вариант (без выводов с облуженными гранями) не получил широкого распространения, так как пайка контактов непосредственно при монтаже в радио­аппаратуре приводит в ряде случаев к снижению надежности конденсаторов из-за перегревания серебряных электродов.

Четвертый вариант (с плоскими ленточными выводами) применяется для конден­саторов, используемых в качестве контурных в УКВ диапазоне частот. Выводами здесь служит медная или латунная фольга, покрытая слоем серебра.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы (рис. 8, д) изготовляют из двух лент фольги (одной

• оксидированной, другой - неоксидированной), между которыми помещают прокладку из бумаги или ткани, пропитанную электролитом. Полученный таким образом конденсатор свертывают в рулон и помещают в кожух. Выводы делают из оксидированной фольги (положительный электрод) и неоксидированной, плотно соприкасающейся с электролитом (отрицательный электрод). Эти конденсаторы отличаются от других, применяемых в данное время, самой высокой удельной емкостью и наименьшей стоимостью.

Электролитические конденсаторы предназначены для работы в цепях с пульсирую­щим током для отфильтрованных переменных напряжений. В нормальном рабочем режиме они имеют постоянный незначительный ток утечки, который при их перегреве может повышаться до недопустимых пределов, выводя конденсатор из строя. Емкость этих конденсаторов значительно снижается при понижении рабочей температуры.

В зависимости от морозостойкости электролитические конденсаторы подразделяют на четыре группы:

Н (неморозостойкие) температура -10 + + 70”С

М (морозостойкие) “ - 40 ■*■ + 60‘С

ПМ (повышенной “ - 50 к + 60°С

морозостойкости)

ОМ ^особо морозостойкие) “ -60 + + 60*С

Промышленность выпускает электролитические конденсаторы КЭ, которые по способу крепления изготовляют в двух вариантах (КЭ-1а и К.Э-16); ЭГЦ (электро­литические герметизированные цилиндрические), выполняемые также в зависимости от способа крепления в двух вариантах. Широко применяют конденсаторы К-50-3, К-50-6, К- 50-7. Потребность в малогабаритных конденсаторах привела к появлению миниатюрных конденсаторов ЭМ, выпускаемых в цилиндрическом корпусе.

Особую группу малогабаритных конденсаторов образуют танталовые конденсаторы ЭТО (электролитические танталовые объемнопористые), например К-52-2. Аноды танталовых конденсаторов изготовляют из порошка методом спекания. Полученный таким образом пористый анод в сочетании с жидким электролитом резко увеличивает фактическую площадь электрода.

Танталовые конденсаторы при тех же рабочих температурах имеют меньшие размеры и массу, их легче применять на больших высотах, они менее подвержены действию вибрации и атмосферы с высокой влажностью, у них малый ток утечки (5— ЮмкА) и малое снижение емкости, они обладают более низкой индуктивностью, срок службы оксидного слоя у них высокий.

Подстроенные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы применяют для точной фиксированной подстройки емкости в цепях высокой частоты, чаще всего в колебательных контурах. Для этого одну из обкладок или их группу делают подвижной по отношению к другой, неподвижной обкладке (рис. 9). Обычно такие конденсаторы изготовляют на сравнительно небольшие изменения емкости.

Рис. 9. Подстроечный конденсатор

' Все конденсаторы этого типа разделяют на две основные группы: с воздушным и твердым диэлектриком. Конденсаторы с воздушным диэлектриком выпускают двух основных типов: плоские и цилиндрические. Наибольшее распространение среди конден­саторов с твердым диэлектриком получили керамические подстроечные конденсаторы, которые в зависимости от конструкции разделяют на плоские поворотные и цилиндри­ческие.

1. Промышленность выпускает керамические подстроечные конденсаторы КПК, пред­назначенные для работы в цепях постоянного и переменного тока. В зависимости от конструктивного выполнения их выпускают четырех типов: КПК-1, КПК-2, КПК-3 и КПК-

S. Статором у них служит керамическое основание с нанесенным на его поверхность тонким серебряным сектором, ротором - керамический диск с таким же сектором. Емкость конденсатора изменяют поворотом диска.

Конденсаторы переменной емкости

Они предназначены для тех узлов аппаратуры, где требуется плавно изменять емкость. Наибольшее распространение имеют конденсаторы переменной емкости, в которых подвижная группа пластин при повороте оси входит в воздушные зазоры между пластинами неподвижной группы. Такие конденсаторы отличаются большой точностью установки емкости, высокой стабильностью и незначительными потерями. Благодаря этому их широко применяют для настройки высокочастотных колебательных контуров. Имеются также конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком, в которых между пластинами помещены изоляционные прокладки, используемые в основном как регулировочные.

До характеру изменения емкости в зависимости от угла поворота оси, что определяется той или иной формой пластин, конденсаторы разделяют на четыре вида: прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и среднелннейные (логарифмические).

имеют несколько иную форму пластин; они позволяют изменять длину волны конденсаторы контура пропорционально углу поворота оси. Их применяют также редко.

Б

У прямоемкостных конденсаторов, имеющих полукруглые подвижные пластины, емкость изменяется пропорционально углу поворота оси. Такие конденсаторы используют редко, главным образом в специальной измерительной аппаратуре. Прямоволновые

Рис. 10. Конденсаторы переменной емкости: а - одинарный, б — спаренный

олее широко используют прямочастотные конденсаторы, дающие равномерное изменение частоты контура по диапазону, а также среднелинейные, у которых процентное изменение емкости, приходящееся на градус поворота оси, остается постоянным в любом месте шкалы. Это обеспечивает одинаковую точность отсчета по всей шкале и значительно облегчает спаривание конденсаторов на одной оси. Конденсаторы переменной емкости, применяемые в радиовещательных приемниках, обычно имеют зависимость изменения емкости, близкую к среднелинейной.

Для радиоаппаратуры широкого применения изготовляют одинарные (рис. 10, а), спаренные (два конденсатора на одной оси — рис. 10, б) и строеннЫЬ конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком. Минимальная емкость (подвижные пластины выведены) различных образцов таких конденсаторов — 10-17 пФ, а максимальная емкость (пластины введены) — 450-540 пФ.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. В отличие от резисторов и конденсаторов они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.

Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывают провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной.

Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности ее располагают внутри металлического экрана (рис. 11).

Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность_ На рис. 11 представлены три разновидности цилиндрических сердечников: С - стержневой, Т - трубчатый и ПР - поде гроечный резьбовой - и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или феррита. Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод, состоящий из чашек 2 и 3 (тип СБ-а), либо разомкнутый, состоящий из чашек 2 и 4 (тип СБ-б). Для изменения индуктивности служит

подстроенный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют тороидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки-сотни мегагерц) применяют подстроенные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается.

Рис.11.

В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в качестве сердечников используют пермаллои. При этом магнитопровод собирают из тонких пластин толщиной 0,002 - 0,1 мм.

подстроечный стержень заглушка

экран

корпус

обмотка

каркас

чашка сердечника

основание

заливка

Рис. 12.

^Существуют следующие разновидности катушек индуктивности:

Ш - контурные. Используются совместно с конденсаторами для получения резонанс­ных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне коротких и УКВ используют однослойные катушки, для каркасов применяют керамику, полиэтилен и полистирол. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода;

в — катушки связи. Обеспечивают индуктивную связь между отдельными цепями и каскадами. Жестких требований к ним не предъявляют, поэтому их выполняют из тонкого провода в виде двух обмоток;

^ - вариометры. В них предусмотрена возможность изменения индуктивности для перестройки колебательных контуров. Они состоят из их двух катушек, неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор).

« — дроссели. Предназначен для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах используют в фильтрах цепей питания. Они обычно имеют металлические сердечники.

Трансформаторы

Трансформаторами называют электромагнитные устройства, имеющие две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенные для изменения значений переменного напряжения и тока. Трансформатор состоит из ферромагнитного магнито- провода (сердечника) и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, а обмотай, к которым подключены потребители электрической энергии, - вторичными. В зависимости от назначе­ния трансформаторы подразделяют на трансформаторы питания, согласующие и импульс­ные.

• Трансформаторы питания применяют в блоках питания радиоустройсгв и служат для получения переменных напряжений, необходимых для нормального функционирования аппаратуры. Условно их подразделяют на маломощные (выходная мощность до 1 кВт) и мощные (выходная мощность более 1 кВт), низковольтные (напряжение на обмотках не превышает 1000 В) и высоковольтные. Кроме того, трансформаторы питания дополнительно классифицируют по частоте преобразуемого напряжения. По конструкции к трансформато­рам питания близки дроссели. По существу, это однообмоточные трансформаторы, предназ- ^яаченные для последовательного включения в цепи пульсирующего тока в целях устранения пульсаций этого тока.

^{^/Согласующие трансформаторы предназначены для изменения уровня напряжений (токов) электрических сигналов, несущих полезную информацию. Они позволяют согласовать источник сигналов с нагрузкой при минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами (транзисторами, лампами) они входят в состав устройств, усиливаю­щих электрические колебания в широкой полосе частоту Различают входные, межкаскадные и выходные трансформаторы. Входные трансформаторы включают на входе усилительного устройства для согласования выходного сопротивления источника сигналов, например микрофона, с входным сопротивлением усилителя. Так как уровень входных сигналов сравнительно невелик, то эти трансформаторы должны быть хорошо тяптигпртл от воздействия внешних магнитных полей. Межкаскадные трансформаторы согласуют выходное сопротивление предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего. Выходные трансформаторы согласуют выходное сопротивление усилителя с внешней нагрузкой. Выходные трансформаторы должны обеспечивать передачу большой мощности от усилителя в нагрузку.

' Импульсные трансформаторы предназначены для формирования и трансформации импульсов малой длительности. Основным требованием, предъявляемым к импульсным трансформаторам, является требование малых искажений формы трансформируемого импульса.

Несмотря на различие функций трансформаторов, основные физические процессы, протекающие в них, одни и те же. Поэтому трансформаторы различного схемного назначения имеют однотипное устройство.

Магнитопроводы трансформаторов

Магнитопроводы служат для того, чтобы обеспечить более полную связь между первичной и вторичной обмотками и увеличения магнитного потока. Выбор материала

Полупроводниковыми диодами называют двухэлектродные полупроводниковые приборы с выпрямляющим переходом. В качестве выпрямляющего перехода применяют р- п переход, гетеропереход и выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Основой большинства полупроводниковых диодов является р-п переход, образованный полупроводниками р и и-типов с разным количеством примесей. Область с высокой концентрацией примесей (~10* см'³) называют эмиттером, область с низкой

концентрацией (~10¹⁴ -10¹⁶ см"³) - базой.

Существует ряд методов получения р-п перехода: сплавной или метод вплавления, диффузный, эпитаксиального наращивания.

У точечных диодов на пластину полупроводника прижимается металлическая игла. Через контакт пропускается ток, происходит местный разогрев контакта, кончик иглы сплавляется с полупроводником, часть атомов металла диффундирует в полупроводник.

Из-за разной концентрации примесей в базе и эмиттере р-и-перехода получается несимметричным. На рис. 14 представлена ВАХ перехода.

Рис. 14

2. ^L Способность р-п перехода хорошо пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать его в обратном направлении нашла широкое применение для выпрямления переменного тока — выпрямительные диоды.

Во многих радиоэлектронных устройствах диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, измеряемой долями микросекунды. В этом режиме диод должен очень быстро переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Этому препятствуют инерционные процессы накопления и рассасывания носителей заряда в базе.

Рассмотрим различные виды диодов.

По типу исходного материала диоды делят на диоды из кремния, германия и арсенида галлия. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей различают плоскостные, точечные и микросплавные диоды. По применению различают выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы и ряд других. Возможна классификация и по ряду других признаков. Ниже рассмотрены типы полупроводниковых диодов.

^Зыпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов. Они предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных , диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи.

В подавляющем большинстве случаев они работают на частоте 50 Гц, верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.

Для изготовления выпрямительных диодов обычно используют кремний, имеющий более высокую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее германиевые диоды, поскольку они имеют меньшее прямое напряжение, чем кремниевые^ В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шотки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шотки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях.

Основными параметрами характеризующими свойства выпрямительных диодов, являются:

• средний выпрямленный ток 1_щср- среднее за период значение прямого тока;

• среднее прямое напряжение t/_w при заданном значении среднего прямого тока;

• максимально допустимое обратное напряжение значение U^. - значение

обратного напряжения, которое диод способен выдержать в течение длительного времени;

• средний обратный ток диода Дбр ср. — среднее за период значение обратного тока.

По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды деляг на три группы:

• маломощные (на ток до 1 А);

• средней мощности (на ток от 1 до 10 А);

• мощные (на ток свыше 10 А).

Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блоки, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды соединены последовательно.

Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преоб­разований сигналов на частотах до сотен мегагерц. Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и тд. Отличительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьерной емкости, что достигается путем уменьшения площади />-л-перехода. Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или м икросплавными. Для уменьшения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов.

СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Эти диоды изготовляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3-5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта.

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-и-перехода и небольшое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления, которое у сверхбыстродействующих диодов составляет несколько наносекунд. Для импульсных диодов указывают также параметры, характерные для выпрямительных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов аналогичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов.

В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шотки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьерная емкость не превышает 1 пФ. Особенностью диодов Шотки является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд барьерной емкости. Диоды Шотки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 не.

В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, применяют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе распределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле /(-«-перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле. Это поле препятствует проникновению в глубину базы инжектированных дырок, то есть обеспечивает их группирование около границы р-и-перехода. Кроме того, это поле способствует освобождению базы от дырок на второй стадии восстановления обратного сопротивления, в результате чего отрицательный импульс получается практически прямоугольным.

Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Они работают в /^/области лавинного или туннельного пробоялгНиже перечислены основные параметры стабилитронов.

—Напряжение стабилизации t/ст - значение напряжения на стабилитроне при заданном токе стабилизации. Так как участок пробоя вольтамперной характеристики проходит почти вертикально, то можно считать, что t/ст» С/проб. Напряжение стабилизации лежит в пределах от 3,3 до 96 В.

• Максимальный ток стабилизации /_ст.тах ограничивается максимально допустимой

Р

мощностью: /_ст. тах = ——

cm

• Минимальный ток стабилизации 7_CT.min определяется гарантированной устойчивостью состояния пробоя.

-Дифференциальное сопротивление г_т$ определяется при среднем токе стаби­лизации:

• Температурный коэффициент напряжения стабилизации а_ст — относительное изменение напряжения стабилизации AU_cm при изменении температуры окружающей

среды на АТ (при лавинном характере пробоя коэффициент а _ст положителен, при туннельном - отрицателен):

Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны, которые имеют симметричную вольтамперную характеристику. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два /7-и-перехода, включенных встречно.

Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них про­исходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10'¹¹ с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве инвертированного диода, в котором участок лавинного пробоя можно рассматривать как прямую ветвь вольтамперной характеристики импульсного диода.

Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольтамперной характе­ристики. Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение несколь­ких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристал­ле. Для увеличения крутизны прямой ветви вольтамперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина р-и-перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт. Температурный коэффициент стабисторов отрицателен, то есть с повышением температуры прямая ветвь его характеристики сдвигается влево.

^ДВарикапы

Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зави­симость емкости /з-и-перехода от значения обратного напряжения. Варикапы применяют в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная: С =Диобр).

Ниже перечислены основные параметры варикапов:

Емкость варикапа Св — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном значении обратного напряжения. Для разных типов варикапов эта емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад. Коэффициент перекрытия по емкости Щ - отношение емкостей варикапа для двух заданных значений обратных напряжений. Значение этого параметра составляет несколько единиц.

—Добротность варикапа Q„ — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен.

I Температурный'коэффициент емкости а_с — относительное изменение емкости АС при изменении температуры на ДГ (влияние температуры на емкость варикапа в основном обусловлено изменением контактной разности потенциалов, практически а_с = (г.-^.Ю^К'¹):

а_с= АС /СATI

Ha рис. 15 представлена схема включения варикапа, обеспечивающая изменение резонансной частоты колебательного контура. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Конденсатор С необхо­дим, чтобы исключить попадание постоянного напряжения в источник переменного напряжения, подключенный к колебательному контуру. Емкость этого конденсатора во много раз превышает емкость варикапа.

R

Р ис. 15

Туннельные диоды

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольтамперной характеристике которых при прямом напряжении /“имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением^рис. 16, а). Ниже перечислены спе­цифические параметры туннельных диодов.

• Пиковый ток /п - прямой ток в точке максимума вольтамперной характеристики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

• Ток впадины /в - прямой ток в точке минимума вольтамперной характеристики.

б I

Рис. 16

• Отношение токов I„/I_B - отношение пикового тока к току впадины. Для тун­нельных диодов из арсенида галлия 1„Л_В> 10, для германиевых туннельных диодов 1_П/1_В = 3...6.

-Напряжение пика U„ прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U„ = 100... 150 мВ, для германиевых диодов U_n -

40. .60 мВ.

• Напряжение впадины 1/в - прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия Ub = 400...500 мВ, у германиевых диодов i/в =

250. .350 мВ.

• Напряжение раствора U_PV — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

z. у Наличие на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифферен­циальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиления, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний. В связи с тем, что ток в туннельном диоде создается основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает очень малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничивается барьерной емкостью перехода, сопротивлением базы и индуктивностью выходов. Она может достигать сотен гигагерц.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенностью является то, что вместо участка с отрицательным сопротивлением на вольтамперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (см. рис. 3.16, 6). В этих диодах обратная ветвь соответствует проводящему состоянию, а прямая ветвь — закрытому состоянию. Поэтому обращенный диод обладает выпрямительным эффектом. В обращенных диодах отсутствует накопление неравновесного заряда, то есть они могут применяться на СВЧ. Обращенные диоды из арсенида галлия имеют максимальный ток в проводящем состоянии около 3 мА при напряжении около 0,15 В. В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9 В.

Фотодиоды

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к р-л-переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области /ьл-перехода происходит генерация электронно­дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в л- и /^областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина р-л-перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока.

Биполярные транзисторы и тиристоры

• Транзисторами называют трехэлектродные полупроводниковые приборы, предназна­ченные для преобразования электрических сигналов. Термин «транзистор» происходит от комбинации английских слов «transfer of resistor», что в переводе означает «преобразо­ватель сопротивления». Различают две основные группы транзисторов - биполярные и полевые (униполярные), принцип действия которых существенно различается. В бипо­лярных транзисторах происходит перемещение как основных, так и неосновных носителей заряда. В полевых транзисторах перемещаются только основные носители заряда. В биполярных транзисторах управление потоком носителей заряда осуществляется путем

• изменения уровня их инжекдии (или экстракции), в полевых транзисторах поток носителей заряда управляется электрическим полем.

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые приборы. Термин «тиристор» происходит от греческого слова «thyra», что означает «дверь». Название подчеркивает возможность открывания и закрывания тиристора.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

• Биполярный транзистор - это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. Оп представляет собой трехслойный полупроводниковый монокристалл с чередующимся типом электропровод­ности. Существуют и-р-и-структуры и р-я-р-структуры. Центральную часть монокристалл- ла называют базой (Б). С одной стороны к базе примыкает область с высокой концентрацией примеси, называемая эмиттером (Э), с другой - область с низкой концентрацией примеси, называемая коллектором (К). Между базой и эмиттером существует эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором - коллекторный переход (КП). Взаимодействие между переходами будет существовать, если толщина базы много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда.

Н а рис. 17, а показана структура кремниевого монокристалла, изготовленного по эпитаксиально-планарной технологии, которая характерна для большинства современных транзисторов. На сильнолегированной подложке 1 и⁺-типа методом эпитаксии сформи­рован слаболегированный слой 2 n-типа толщиной около 10 мкм, в котором методом локальной диффузии созданы слой базы 3 с дырочной электропроводностью и слой эмиттера 4 л⁺-типа. Толщина базового слоя составляет около 1 мкм. На поверхности кристалла расположен защитный слой диоксида кремния SiOi толщиной порядка 1 мкм, через отверстия в котором осуществлены металлические выводы от эмиттера и базы. Тонкая база имеет значительную протяженность в горизонтальном направлении, поэтому она обладает сравнительно большим сопротивлением г’g. Чтобы снизить это сопротивление, от базы делают два вывода, которые соединяют вместе.

Рис. 17

Основные физические процессы в такой структуре протекают под эмиттером. Эту область называют активной. Остальная часть структуры является пассивной, не оказывающей существенного влияния на работу транзистора. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать упрощенную модель транзистора, показанную на рис. 17, б. На рис. 17, в представлено схематичное изображение транзисторов.

Режимы работы

Каждый из /(-«-переходов транзистора может находиться либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Поэтому возможны четыре режима работы, приведенные в таблице.

Режимы работы транзистора ^ 'f

Режим	ЭП	КП	Потоки
			ЭП	КП
Активный	Открыт	Закрыт	1,3	6,8
Инверсный	Закрыт	Открыт	2,4	5,7
Насыщения	Открыт	Парш	и	2,4
/ Отсечки	Закрыт	b«u«b*VMjr	5,7	6,8

В зависимости от режима работы в транзисторе существуют определенные потоки носителей заряда (рис. 18).

	1 • * —» > -< > • ' ^1 Гг
'©ч	^1 3 4 Ч-/ -фф-г* * S 6 ^1 1 lira-111 —г*" | 1 • >г.
ЭП		101 6

Рис. 18

Через открытые переходы протекают основные носители заряда (они обозначены стрелками и цифрами от 1 до 4), через закрытые переходы - потоки неосновных носителей заряда (они обозначены пунктирными стрелками и цифрами от 5 до 8). Всего, анализируя работу транзистора в различных режимах, следует учитывать восемь потоков носителей заряда.

Схемы включения

Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществлять усиление электрических сигналов. В конкретных электронных схемах он включается как четырехполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. Один из электродов транзистора является общим. Возможны три схемы включения: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), - показанные, соответственно, на рис. 19 а, б и в.

Рис. 19

Для обозначения напряжений, подаваемых на электроды транзистора, используют двойные индексы. Первый индекс идентифицирует электрод, на который подается напря­жение, измеряемое относительно общего электрода, обозначаемого вторым индексом. Например, U_K-₃ - напряжение между коллектором и эмиттером, U_K-6 - напряжение между коллектором и базой и т. д. На рис. 19 показана полярность напряжений, соответствующая активному режиму работы транзистора, и направления токов в этом режиме (для транзисторов типа р-п-р полярность напряжений и направления токов противоположны).

Принцип действия

Для того чтобы понять принцип действия транзистора, рассмотрим его упрощенную модель (рис. 20, а) и распределение потенциала в ней, соответствующее активному режиму работы (рис. 20, б). Через ф_КОэ и ф_кок на ней обозначены потенциальные барьеры, соответственно, эмиттерного и коллекторного переходов. Концентрация примеси в эмиттере больше, чем в коллекторе, поэтому ф_ко._к < ф_ко._э . При подаче на эмиггерный переход прямого напряжения потенциальный барьер в нем снижается на величину приложенного напряжения и_э-в, а при подаче на коллекторный переход обратного напряжения потенциальный барьер в нем повышается на величину м_к-б-

Рис. 20.

Через низкий потенциальный барьер в эмиттерном переходе электроны переходят в базу (поток 1), диффундируют через нее, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в область коллектора.

Перемещаясь через базу, часть электронов встречается с дырками и рекомбинирует с ними, в результате чего поток 1 разделяется на две части - поток 1 ’ и поток 1".

Помимо основного потока 1 в транзисторе существуют побочные потоки носителей заряда. Поток 3 образован перемещением дырок из базы в эмиттер. Потоки 6 и 8, образованные неосновными носителями заряда, создают тепловой ток коллекторного перехода. Полезную функцию в транзисторе выполняет только поток Г, протекающий через оба р-и-перехода транзистора и образующий ток связи /_>к, который имеет одно и то же численное значение как в цепи эмиттера, так и в цепи коллектора. Величиной тока связи можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерном переходе. Наличие тока связи позволяет применять транзистор для усиления электрических сигналов. Все остальные потоки являются бесполезными и должны быть сведены к минимуму. С этой целью концентрацию примеси в эмиттере увеличивают по сравнению с концентрацией примеси в базе примерно на два порядка (Afe, = 1 (Г° см'³, N& =10 ⁸ см'³), а базу делают очень узкой (W6 « 1 мкм) с тем, чтобы уменьшить рекомбинацию. В некоторых случаях примесь в базе распределяют неравномерно, благодаря чему в базе возникает внутреннее электрическое поле, поэтому электроны быстрее перемещаются через базу и рекомбинация в ней уменьшается. Концентрация примеси в коллекторе, как правило, ниже, чем в эмиттере, благодаря этому коллекторный переход получается более широким, что позволяет подавать на него высокое обратное напряжение и тем самым улучшить усилительные свойства транзистора.

Из рассмотренного следует, что, изменяя прямое напряжение на эмиттерном пе­реходе, можно изменять ток через коллекторный переход при постоянстве обратного напряжения на этом переходе. Это равнозначно изменению сопротивления коллекторного перехода, то есть в транзисторе в результате поступления электронов из эмиттера в коллекторный переход происходит преобразование сопротивления коллекторного перехода (transfer of resistor). При переводе транзистора в режим отсечки поступление электронов в коллекторный переход прекращается, и сопротивление перехода оказывается очень высоким, через него перемещаются только потоки 6 и 8, создающие весьма незначи­тельный ток в коллекторной цепи. Если транзистор переведен в режим насыщения, то концентрация подвижных носителей заряда в коллекторном переходе увеличивается и его сопротивление резко уменьшаетацТаким образом, переводя транзистор из режима насы­щения в режим отсечки, возможно использование транзистора в качестве электронного ключа, замыкающего и размыкающего электрическую цепь>7

Способность транзистора усиливать мощность электрических сигналов проявляется только в активном режиме. Если в этом режиме в цепь эмиттера последовательно с источником постоянного напряжения включить источник переменного напряжения с амплитудой t/эм, то ток связи будет изменяться с амплитудой Д* и от источника перемен­ного напряжения будет потребляться мощность Р_п = /^г, где г_э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. При наличии в коллекторной цепи резистора нагрузки R„ ток связи выделит в нем мощность

— -/„Л,

Эта мощность в RJr₃ раз больше мощности, потребленной от источника переменного напряжения во входной цепи, то есть транзистор обладает усилительным эффектом. Этот усилительный эффект обусловлен тем, что, затрачивая небольшую мощность на изменение сопротивления коллекторного перехода, можно управлять током, потребляемым от источника постоянного тока, включенного в коллекторную цепь, и преобразовывать мощность источника постоянного тока в мощность переменного тока, выделяемую в резисторе нагрузки, включенном в коллекторную цепь.

Разновидности биполярных транзисторов

В настоящее время промышленностью выпускается большое количество биполярных транзисторов различных типов и разного назначения. Подавляющее большинство транзисторов изготовляется из кремния и имеет структуру п-р-п. Обычно транзисторы классифицируют по допустимой рассеиваемой мощности, предельной частоте и назначению.

По мощности транзисторы подразделяют на три группы. К транзисторам малой мощности относят приборы с рассеиваемой мощностью менее 0,3 Вт. К транзисторам средней мощности относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью от 0,3 до 1,5 Вт. Для транзисторов большой мощности рассеиваемая мощность превышает 1,5 Вт.

В каждой из трех групп транзисторы подразделяются на низкочастотные (fh2i6 ^

3. МГц), транзисторы средней частоты (3 МГц <fh2i6^< 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < fh2i6 < 120 МГц) и транзисторы диапазона СВЧ (f_msx> 120 МГц).

Для низкочастотных транзисторов характерны большая емкость переходов (10- 100 пФ) и время рассасывания порядка 1 мкс. Для высокочастотных транзисторов харак­терны малая площадь переходов, малая толщина базы и малое время жизни неосновных носителей заряда. Барьерные емкости этих транзисторов не превышают 10 пФ, время рассасывания составляет доли микросекунды. Как правило, высокочастотные транзисторы являются дрейфовыми.

Сверхвысокочастотные транзисторы отличаются рядом важных структурных и конструктивных особенностей. Толщина базы этих транзисторов составляет 0,1-0,3 мкм, ширина эмиттера - около 1 мкм, расстояние от края эмиттерной области до базового контакта - около 0,4 мкм. При этих условиях барьерные емкости составляют десятые доли пикофарады, а граничная частота достигает 10 ГГц. Транзисторы с повышенной граничной частотой характеризуются пониженными рабочими напряжениями и токами, малыми значениями отдаваемой высокочастотной мощности и допустимой рассеиваемой мощнос­ти. Как показали исследования, граничная частота _/ф и отдаваемая мощность Р связаны между собой соотношением Pfzp = const, из которого следует, что повышение граничной частоты при заданном уровне технологии связано с неизбежным уменьшением от даваемой мощности. Современная технология позволяет создавать транзисторы с граничной частотой 10 ГГц при отдаваемой мощности 1 Вт.,

Мощные транзисторы отличаются большими напряжениями и токами коллектора. Для достижения большого рабочего тока применяют многоэмиттерные транзисторы, содержащие большое число узких длинных эмиттерных полосок, между которыми расположены выводы базы, объединенные общим базовым выводом. Все эмиттеры располагают внутри одной базовой области, а их выводы объединяют общим эмиттерным выводом. Ширина каждой эмиттерной полоски составляет 10-20 мкм, а длина — 100 — 200 мкм. Для хорошего теплоотвода кристалл мощного транзистора устанавливают на массивное металлическое основание корпуса, которое в ряде случаев имеет специальный радиатор. Современные мощные транзисторы при допустимом коллекторном напряжении более 100 В и токе коллектора более 50 А позволяют в диапазоне частот до 30 МГц получить в нагрузке мощность порядка 175 -200 Вт.

Большое разнообразие транзисторов отражается в их условных обозначениях (маркировке), содержащих определенную информацию о свойствах транзистора. Первый элемент обозначения характеризует материал полупроводника:

Г (или 1) - германий;

К (или 2) - кремний;

А (или 3) - арсенид галлия;

И (или 4) - соединения индия.

Буквы используют при маркировке транзисторов широкого применения, цифры - при маркировке транзисторов специального назначения.

Вторым элементом обозначения для биполярных транзисторов является буква Т (для полевых транзисторов используется буква П). Третий элемент обозначения характеризует мощность и частотные свойства:

1. — маломощный низкочастотный;

2. - маломощный средней частоты;

3. - маломощный высокочастотный (f> 30 МГц);

4. - средней мощности низкочастотный;

5. — средней мощности средней частоты;

6. — средней мощности высокочастотный;

7. — большой мощности низкочастотный;

8. - большой мощности средней частоты;

9. - большой мощности высокочастотный.

Четвертый и пятый элементы указывают на порядковый номер разработки данного типа транзистора и обозначаются цифрами от 01 до 99. Шестой элемент обозначения (буквы от А до Я) показывает разделение транзисторов данного типа на подтипы по классификационным параметрам, например по величине /ггь или какого-либо другого параметра. Например, кремниевый биполярный мощный высокочастотный транзистор КТ 903 А имеет минимальное значение йгь = 15, а транзистор КТ 903 Б - минимальное значение hi\3 ~ 40.

Для вновь разрабатываемых транзисторов используются семиэлементные обозна­чения. У этих транзисторов третий элемент несколько иначе характеризует мощность и частотные свойства транзистора:

1. - маломощный (до 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

2. - маломощный с граничной частотой до 300 МГц;

3. - маломощный с граничной частотой свыше 300 МГц;

7. - мощный (свыше 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

8. -мощный с граничной частотой до 300 МГц;

9. - мощный с граничной частотой свыше 300 МГц.

Четвертый, пятый и шестой элементы (число от 001 до 999) указывают на поряд­ковый номер разработки, а седьмой элемент — на отличие по какому-либо параметру.

В радиоэлектронной аппаратуре наряду с транзисторами, управляемыми элект­рическими сигналами, находят применение транзисторы, управляемые световыми ^сигналами, - фототранзисторы. ([Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого имеется прозрачное окно, через которое Световой поток воздействует на область базы. Схематическое устройство фототранзистора и схема его включения представлены на рис. 21, а. Фототранзистор обычно включают по схеме с ОЭ с отключенной базой. При этом эмиттерный переход оказывается включенным в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном^ Под действием света происходит генерация пар носителей заряда в базовой области. Электроны и дырки диффундируют к коллекторному переходу, поле которого разделяет их. Дырки переходят из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны остаются в базе и компен­сируют положительный неподвижный заряд неподвижных доноров в р-л-переходе, в результате чего потенциальный барьер в эмиттврном переходе снижается, что приводит к увеличению инжекции дырок в базу. (Соответственно увеличивается количество дырок, втянутых полем коллекторного перехода и попавших в коллектор. Ток инжектированных носителей и соответствующий ему коллекторный ток во много раз превышает первоначальный фототок, образованный носителями за счет генерации.

Вольтамперные характеристики фототранзистора показаны на рис. 21, б. Внешне они не отличаются от выходных характеристик обычного биполярного транзистора. При отсутствии светового потока через транзистор протекает ток Ш 11Щ. При облучении базы светом появляются дополнительные носители заряда, ток коллектора возрастет и становится равным /_к = Р(/к-б+/ф) , где Р - темновой ток фототранзистора, В1ф= рК^Ф -

(М= 1) и справедливо неравенство а, + а₂ <1, поэтому ток 1 = 1_ген|. С ростом напряжения и коллекторный переход расширяется, его объем увеличивается и возрастает ток 1_ге„. По мере приближения к напряжению и_вкл увеличиваются интегральные коэффициенты передачи тока а, и а₂, возникает лавинное размножение носителей заряда и появляется положительная обратная связь, суть которой состоит в следующем. Электроны из электронного эмиттера (поток 1), попадая в электронную базу Бг, снижают потенциальный барьер в /7-и-переходе ЭПг, что ведет к увеличению потока дырок 2, которые, попав в дырочную базу Б„ снижают потенциальный барьер в ЭП], в результате чего происходит лавинообразное увеличение тока, которое может привести к разрушению прибора. Чтобы ограничить рост тока, последовательно с динистором обязательно включают ограничительный резистор.

Рис. 23

3. ^Напряжением включения и_вкл называют такое напряжение, при котором диф­ференциальное сопротивление динистора du/di становится равным нулк^ Для нахождения этого напряжения продифференцируем уравнение для тока с учетом того, что М зависит от напряжения и, а коэффициенты а, и а₂ от тока После дифференцирования получаем:

. cfot] di

1-М

a, +i

dU

di

+ ^^-[(а, +а₂У + 1 ] dU dU ^{1 гш1}

+ \ а, +/-

. da.

di

Выражения в круглых скобках в числителе являются дифференциальными коэффициентами передачи токов эмиттеров: