- •Основы электроники
- •1. Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны
- •2. Выпрямители и фильтры.
- •3. Биполярные транзисторы
- •4. Тиристоры
- •5. Полевые транзисторы
- •6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt)
- •7. Операционные усилители
- •8. Элементы цифровой электроники
- •9. Микропроцессоры и микроЭвм
- •Литература
Основы электроники
Конспект лекций по курсу "Электротехника и основы электроники"
Новочеркасск 2004
1. Полупроводниковые выпрямительные диоды и стабилитроны
Рис.1.1. Обозначение диода на схемах. |
Рис.1.2. Включение диода. |
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменных напряжений и токов. Они обладают малым сопротивлением в прямом включении и большим сопротивлением в обратном включении (рис. 1.2). Практически, они пропускают ток только в одну сторону.
В расчетах цепей с выпрямительными диодами можно пользоваться максимальными допустимыми значениями прямого токаиобратного напряжения, а также максимальными значениямипрямого напряженияиобратного тока(рис.1.3).
Эти основные параметры определяют выбор диода для конкретного назначения, они приводятся в справочниках. В документации, предоставляемой изготовителем, имеются графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов, а также другая информация.
Рис. 1.3. ВАХ выпрямительного диода. |
В упрощенных расчетах цепей с диодами прямое напряжение и обратный ток принимают равными нулю, то есть считается, что в прямом включении диод - идеальный проводник, а в обратном - идеальный изолятор. Такая модель называется идеальным диодом.
При достаточно большом обратном напряжении у полупроводникового диода наступает режим пробоя. Выпрямительный диод от этого сгорает.
Стабилитрон- это специальный тип диода, у которого пробой является рабочим режимом (рис. 1.4). Стабилитроны используются для стабилизации пульсирующего напряжения, для ограничения напряжений, а также для получения заданных напряжений в электронных схемах.
В режиме пробоя при изменении тока от минимального до максимального значения тока стабилизации напряжение меняется в узких пределах от минимального до максимального значения напряжения стабилизации (рис. 1.5).
Рассмотрим включение стабилитрона последовательно с нестабильным источником напряжения и резистором (рис. 1.6). Обратим внимание, что на схеме рис. 1.6 стрелка напряжения стабилитрона направлена от катода к аноду (обратно к ее ориентации на рис. 1.4). По этой причине обратный ток и обратное напряжение стабилитрона положительны, и рабочий участок ВАХ стабилитрона на рис. 1.7 расположен в 1-м углу координатной плоскости.
Рис. 1.4. Обозначение стабилитрона на схеме. |
Рис. 1.5. ВАХ стабилитрона. |
Рис. 1.6. Схема стаби- лизатора напряжения. |
Рис.1.7 показывает, что при большом изменении э.д.с. источника (uвх.) оте1дое4напряжение стабилитрона меняется значительно меньше - отuвых. 1доuвых. 4. Таким образом, цепь рис. 1.6 позволяет стабилизировать напряжение.
Рис. 1.7. Графический расчет нелинейной цепи методом пересечения ВАХ. |
Статическим сопротивлениемдвухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u0,i0), называется число
.
Дифференциальным сопротивлениемдвухполюсника, соответствующим точке его ВАХ с координатами (u0,i0), называется производная, вычисленная в точке (u0,i0).
Для линейного резистора статическое сопротивление равно дифференциальному.
Для нелинейных цепей часто рассчитывают отдельно постоянные и переменные составляющие напряжений и токов. Постоянные составляющие определяют так называемые рабочие точкиполупроводниковых приборов ("точки покоя"), а переменные составляющие являют собой отклонение напряжений и токов от рабочих точек. Как правило, переменные составляющие представляют основной интерес.
В расчетах постоянных составляющих используют статические сопротивления элементов цепи. В расчетах переменных составляющих применяют дифференциальные сопротивления. При этом обычно рассматривают небольшие отклонения напряжений и токов от рабочих точек Δuи Δi- такие, что соответствующие участки ВАХ нелинейных элементов можно приближенно считать прямыми линиями и задавать уравнениями вида
, (1.1)
или .
Рис. 1.8. Малосигнальная схема стабилизатора напряжения. |
Сформулируем конкретные условия задачи для цепи рис. 1.6.
Пусть uст. мин.= 11 В,uст. макс.= 13 В,
iст. мин.= 40 мА,iст. макс.= 240 мА,
uвх.= 24 + 5sinωt (В)
Рис. 1.9. Схема расчета рабочей точки стаби- лизатора напряжения. |
Решение. Вначале, пользуясь статическими сопротивлениями, найдем допустимые пределы для сопротивления резистора (рис. 1.9). Чтобы при любом напряжении источника стабилитрон был в рабочем режиме, ток должен удовлетворять неравенствам:
,
Выражая ток через напряжение источника и сопротивление, получим:
,,
откуда ,,
,,
Окончательно получим:
. (1.2)
На случай больших отклонений напряжения источника от среднего значения рассчитаем сопротивление резистора, такое, чтобы рабочая точка стабилитрона находилась примерно на середине рабочего участка ВАХ. Как и было сказано, будем вести расчет, используя постоянные составляющие напряжений и токов.
Найдем значения напряжения и тока, приближенно соответствующие середине рабочего участка ВАХ стабилитрона (рис. 1.10):
мА = 0,14 А.
Постоянная составляющая напряжения на резисторе равна
В.
По закону Ома Ом.
Это сопротивление удовлетворяет неравенству (1.2), поэтому при заданных условиях стабилитрон будет в рабочем режиме.
Рис. 1.10. К аналитическому расчету напряжения стабилитрона. |
Теперь, используя малосигнальную схему цепи, найдем амплитуду колебаний тока ΔIm:
А,
откуда (А).
Используя приближенное выражение для ВАХ (1.1), получим напряжение стабилитрона:
(В).
Коэффициентом пульсацийнапряжения или тока называется отношение амплитуды первой синусоидальной гармоники колебаний к постоянной составляющей соответствующей величины. Сравним коэффициенты пульсаций напряжения на входе и на выходе:
,.
Таким образом, относительная пульсация напряжения на выходе примерно в 4,8 раз меньше, чем на входе.
Замечание. Амплитуды переменных составляющих напряжения и тока рассчитываются независимо от формы сигнала. Переменная составляющая напряжения источника задана в виде синусоиды только для простоты расчета коэффициентов пульсаций.