58. Статические характеристики полевых транзисторов (проходные, выходные).

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рисунке а). Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const

Стоко - затворная (входная) характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const рисунок б).

БИЛЕТ 19.

19. Элементная база аналоговой и цифровой электроники.

Цифровое устройство – техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.

Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической.

В последнее время, ввиду достижений микро- и наноэлектроники, широкое распространение получили цифровые устройства на микроэлектронной элементной базе.

Примерами цифровых устройств являются широко распространённые сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, цифровыевидеокамеры, веб-камеры, компьютеры, цифровое телевидение, DVD-проигрыватели.

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) – это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) – выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения.

Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.

Преобразователи сопротивлений – выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

39. Конденсаторы, основные параметры: электрическая ёмкость, рабочее напряжение и напряжение пробоя.

Конденсатор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Емкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливатьэлектрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q =CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:, где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице),  — электрическая постоянная, численно равная 8,854187817.....* 10 ^-12(эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Рабочее напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Напряжение пробоя

Пробой конденсатора – это неисправность, связанная с изменением сопротивления диэлектрика между обкладками конденсатора вследствие превышения допустимого рабочего напряжения на обкладках конденсатора.

Напряжение пробоя - это то напряжение при котором происходит пробой.

59. IGBT – транзисторы (устройство, параметры, обозначение, конструкции, применения).

IGBT— биполярный транзистор с изолированным затвором — трёхэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.

По своей внутренней структуре IGBT представляет собой каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором как у ПТ, два других электрода — эмиттером и коллектором как у биполярного. Такое составное включение ПТ и БТ позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов полупроводниковых приборов.

Выпускаются как отдельные IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

Условное графическое обозначение IGBT.

Структура IGBT-транзистора.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку IGBT транзистор имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор - З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

 

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Транзистор также может изображаться со встроенным быстродействующим диодом. Также IGBT транзистор может изображаться следующим образом:

ПРИМЕНЕНИЕ:  Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

IGBT применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая друг друга». В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят MOSFET, а для высоковольтных мощных — IGBT.

В некоторых случаях IGBT и MOSFET полностью взаимозаменяемы, цоколевка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения. Но «управляемый напряжением» не значит, что схеме управления не нужен источник тока. Затвор IGBT или MOSFET для управляющей схемы представляет собой конденсатор с величиной емкости, достигающей тысяч пикофарад (для мощных устройств). Драйвер затвора должен «уметь» быстро заряжать и разряжать эту емкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.

БИЛЕТ 20.

20. Примеры схем и обозначения.

Структурная схема (ее раньше называли еще и блок-схемой) определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязь. Отдельные узлы или части устройства обозначаются прямоугольниками, а связи между ними показываются линиями, стрелки на которых указывают направление прохождения сигналов.

Чтобы деревья не загораживали леса на первом этапе разработки и не приходилось отвлекаться на мелочи (например сколько и каких резисторов, конденсаторов и транзисторов поставить), обдумывать идею, (да и рассказывать про нее) лучше на уровне прямоугольников. В таком виде проще представить взаимодействие между функциональными узлами: величину и форму сигналов, очередность их поступления и т.п. И лишь затем, состыковав отдельные узлы между собой и увязав сигналы, можно рисовать принципиальные схемы.

Функциональная схема помогает понять процессы, происходящие в отдельных узлах (блоках) устройства. Она является переходной от структурной к принципиальной. На ней подробно изображаются те части, которые

необходимы для понимания описываемых процессов, а второстепенные элементы или узлы изображаются в виде прямоугольников. К примеру, цепи питания и т.п. на такой схеме можно не детализировать.

Для обозначения прямоугольников на структурных и функциональных схемах можно использовать русские и латинские (латинские предпочтительнее) буквы и цифры. Существуют и специальные обозначения функциональных узлов, основные из которых показаны на рисунке.

Принципиальная схема дает полное представление об электрическом устройстве данного прибора. На принципиальной схеме в виде условных графических обозначений (УГО) показываются все электрические элементы, входящие в состав прибора, указываются их номиналы и связи между ними.

Принципиальная схема является основным видом схемы, используемой в радиотехнике. Хотя она не дает наглядного представления о действительном виде конструкции, однако позволяет детально разобраться в принципах ее работы.

Схема соединений (монтажная) - это схема, которая показывает внешние и внутренние соединения между конструктивно законченными узлами изделия. Изображения элементов даются в виде прямоугольников, УГО или внешних очертаний. На монтажной схеме воспроизводятся в точном соответствии с реальным расположением все провода, кабели и жгуты, указывается марка и сечение проводов

На схеме соединений изображаются также элементы монтажа (опорные стойки, переходные и расшивочные колодки), которые обеспечивают его жесткость и удобство распайки. Монтажная схема обычно создается тогда, когда предполагается изготовить несколько однотипных устройств. В этом случае она значительно упрощает сборку и монтаж. Правда, и в случае одного экземпляра устройства монтажка весьма полезна, если через какое-то время приходится его ремонтировать, а сразу вспомнить что где идет бывает очень трудно.

40. Конструкции и обозначения конденсаторов, электролитические конденсаторы, ионисторы.

Конденсатор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик.

(может надо, а может и нет, но: На полярных SMD конденсаторах + обозначен полоской).

Различные конденсаторы для объёмного монтажа.

Обозначения

Конденсатор постоянной ёмкости

Поляризованный конденсатор

Подстроечный конденсатор переменной ёмкости.

Ионистор — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита . Функционально представляет собой гибридконденсатора и химического источника тока.

60. Базисные логические элементы.

В цифровой технике информацию представляют в двоичной системе счисления, т.е. каждая переменная может быть представлена комбинацией нулей и единиц. Для выполнения операций над переменными, представленными в таких кодах применяют логические элементы, которые работают с двумя уровнями сигналов. Один уровень (чаще всего высокий) ставят в соответствие логической 1,а другой - логическому нулю. логические элемент ы позволяют выполнять различныелогическиеоперации над двоичными переменными и позволяют реализовывать логические функции от логических переменных. И,ИЛИ,НЕ простейшиелогические операции.

Устройства, позволяющие выполнять логические операции над логическими переменными, представленными высоким или низки уровнем напряжения, и называются логическимиэлемент ами. Соответствия между значениямилогических переменных и уровнями электрических сигналов условное. Логику, в которой высокому уровню соответствует “1” , называют прямой, в противоположном случае - инверсной.

Мы будем рассматривать логических элементы , работающие в прямой логике.

Основными базисными логическими функциями являются функции типа “и”, “или”, “не”. На основе этих функций могут быть реализованы любые другие, более сложные. Поэтому будем рассматривать логических элемент ы , реализующие эти 3 функции.

логических элемент ы выполняются в интегральном исполнении. Существует несколько серий интегральных логических элементов ( К155, К133, К555,...). В каждой серии значительное число элементов представляют элемент ы типа “и”, “или”, “не”. Каждый логический элемент , реализующий ту или иную функцию, представляет собой электронную схему, имеющую несколько входов, на которые подаются независимые переменные в виде либо высокого, либо низкого напряжения., и выходов, уровень сигнала на которых может принимать только два значения. Состояние выхода определяется логической функцией и значениями логических переменных на входе. В зависимости от способа схемной реализации различают следующие их типы: 1. Резисторные (РЛ) 2. Диодные (ДЛ) 3. Диодно-резисторные (ДРЛ) 4. Диодно-транзисторные (ДТЛ) 5. Транзисторно-транзисторные (ТТЛ) . Наиболее распространенным типом является 5 , но применяются также и 4. Эти элементы реализуются, как правило, в интегральном виде. При реализации из отдельных дискретных элемент ов применяют и 3.

Рассмотрим основные типы ДРЛ.

Основными логическими функциями являются функции “и”, “или”.

ФУНКЦИЯ “ИЛИ”

, -независимые переменные.

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

  А) Если в цепях диода не будет протекать ток , на выходе будет 0.

Б) Стоит на один из диодов подать высокий уровень напряжения , соответствующий логической “1” , как в цепи , на которую подали высокий уровень напряжения, откроется диод , в выходной цепи потечет ток, который будет протекать и через , создавая на нем высокий уровень напряжения, соответствующий логической “1”.

В) тем более , если .

ФУНКЦИЯ “И” 

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

Рис.9.2. ФУНКЦИЯ “И”.

А) Если на оба входа подано низкое , то это равносильно тому, что оба входа заземлены. При этом диоды под действием открыты и находятся в проводящем состоянии. Через источник питания, и открытые диоды будет протекать ток. При этом на выходе напряжение будет равно прямому падению напряжения на диодах. Этот уровень напряжения является низким и соответствует логическому “0”.

Б) Если на один из входов подать логическую “1” , то соответствующий диод закроется , и через нег не будет протекать ток., но другой диод , на который действует напряжение , будет оставаться открытым, обеспечивая тем самым низкий уровень напряжения на выходе. .

В) Только если , все диоды будут закрыты, не будут шунтировать нагрузку, и на выходе будет высокий уровень напряжения. .

В рассмотренных схемах количество входов может быть различным в зависимости от числа диодов, включенных параллельно.

Недостатком диодно-резисторной логики является низкий уровень помехоустойчивости. Действие на входе любой импульсной помехи практически сразу же отражается на значении выходного сигнала. Также есть сильная зависимость уровня логической “1” на выходе от сопротивления нагрузки .

Выходной сигнал для этого вида логики является маломощным. Для повышения мощности выходного сигнала и нагрузочной способности диодные логических элемент ы применяются совместно с транзисторными ключами на выходе. При этом происходит не только усиление сигнала, но и увеличение нагрузочной способности элементов. При этом логический ключ, включаемый на выходе , выполняет логическую функцию “не”. Он инвертирует сигнал .

Следующая схема реализует логическую функцию “или-не”.

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

Рис. 9.3. Схема “ИЛИ-НЕ”.

Если хоты бы на один из входов подействует высокий уровень напряжения, соответствующий диод откроется, на сопротивлении будет высокий уровень напряжения, будет задан необходимый ток базы , превышающий базовый ток насыщения, транзистор откроется, .

Аналогичным образом строится схема “И-НЕ”

Рис.9.4. Построение схемы “И-НЕ”

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

Если на входе -“0” , то в точке соединения анодов диодов будет напряжение, равное прямому падению напряжения на диод, что соответствует логической “0” в диодном элементе. Это прямое напряжение через R2 будет действовать на базу транзистора V. Уровня прямого падения напряжения может быть уже достаточно, чтобы создать ток базы и приоткрыть транзистор, а он в этом случае должен быть закрыт. Для обеспечения надежного закрывания транзистора включают резистор R3, который с R2 образует делитель , который обеспечивает между базой и эмиттером транзистора V напряжение , значительно меньшее, чем прямое падение напряжения. При этом , если V- кремниевый, то он будет закрыт. На выходе - “1”.

При действии хотя бы на одном из входов логической “1” происходит закрывание диода в цепи соответствующего входа, но в точке соединения анодов остается прямое падение напряжения. Остается неизменным и закрытое состояние транзисторного ключа с высоким уровнем напряжения на выходе.

И только при действии логической “1” на всех входах схемы, все диоды закрываются, и от источника питания по цепи “R1-R2” будет создан необходимый ток базы, который переводит транзистор в режим насыщения , открывая его..

В схемах логических устройств обычно к выходу каждого логическогоэлемент а подключается несколько входов последующихлогических элементов. Это количество подключаемых последующих входов ограничено нагрузочной способностью и называется коэффициентом разветвления логического элемента.

При изготовлении универсальных логических элементов в интегральном исполнении должен обеспечиваться высокий коэффициент разветвления (для возможности построения схем достаточной сложности). С этой целью в интегральныхлогических элемент ах в качестве транзисторного ключа применяется ключ не на одном транзисторе, а более сложный, с эмиттерным повторителем на выходе, обеспечивающим малое выходное сопротивление и высокий коэффициент разветвления.

Рис. 9.5. ТК в ИМС.

Если , то транзистор V1 закрыт. Ток в цепи “К-Э” V1 не протекает. В результате падение напряжения на R3 равно нулю. Следовательно , V3 также будет закрыт. При зыкрытии V1 на его коллекторе создается высокий уровень напряжения , который будет поступать на базу V2. V2 включен по схеме с общим коллектором, а V1,V3 - с общим эмиттером. Выходной цепью V2 является цепь эмиттера, причем на эмиттере он будет повторять высокий уровень напряжения базы. Эмиттерный поворитель имеет малое выходное сопротивление: .

Напряжение эмиттера через диод VD поступает на выход и на нагрузку логического элемента. При этом уровень напряжения логической “1” на выходе будет определяться напряжением питания ,прямое падение напряжение на диоде -.

При напряжении питания 5В уровень “1” составляет при холостом ходе около 4В, а при полной нагрузке - 3,5В. При этом обеспечивается высокий коэффициент разветвления (от 4 до 6).

Если на вход подана логическая “1”, транзистор V1 открывается, цепь между коллектором и эмиттером V1 оказывается замкнутой. Через , коллектор и эмиттер V1 протекает ток, величина которого будет определяться суммой . При этом на будем иметь падения напряжения , уровень которого достаточен для открывания транзистора V3. V3 будет открыт. Цепь “К-Э” транзистора V3 замкнута, на выходе будем иметь потенциал , приближенно равный 0. В реальных схемах он может достигать уровня .

Транзистор V2 при этом будет закрыт, поскольку цепь “ К-Э” V1 замкнута. Базы транзисторов V2 и V3 соединены., чем и будет обеспечено его закрытое состояние. Диод VD включен в цепь эмиттера для более надежного закрывания V2 ( когда ).

В состоянии “1” на входе цепь не потребляет энергии от источника питания. R4 предохраняет V2 от короткого замыкания на выходе ( возникнет перегрузка по току), когда схема находится в состоянии на выходе.

Такой ключ может применяться совместно с различными типами логических элемент ов, включаемых на входе ключа .

В большинстве случаев реализации логических элементов в интегральном виде логика реализуется не с помощью диодов, а с помощью транзисторов. Такие логических элемент ы называютэлементами ТТЛ- типа.

Рассмотрим типовую схему логического элемент а ТТЛ типа “И-НЕ”.

В элементах ТТЛ- типа логика реализуется с помощью многоэмиттерных транзисторов.

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

Рис.9.6.Принципиальная схема элемент а И-НЕ серии ТТЛ, реализованного с помощью многоэмиттерного транзистора

Многоэмиттерный транзистор имеет область эмиттера, разделенную на несколько изолированных друг от друга частей, каждая из которых имеет свой внешний вывод. Многоэмиттерный транзистор можно представить как параллельное соединение нескольких обычных транзисторов, у которых объединены все базы и все коллекторы .

Многоэмиттерный транзистор выполняет логическую функцию “И” , а инвертор - функцию “НЕ”. Если на входе нули, то оба эмиттера подсоединены на землю; транзистор V1 оказывается включенным по схеме с общим эмиттером. Через R1 от источника питания на базу подается смещение и создается необходимый для насыщения V1 ток базы. V1 будет открыт, т.е. цепь между коллекторами и эмиттерами будет замкнута. На коллекторе V1 получим низкий уровень напряжения, который будет инвертироваться , и на выходе будет “1”.

Если на X1 - высокий уровень, а на X2 - низкий, то эмиттерный переход “Э1-Б” будет закрыт, но переход “Э2-Б” останется смещенным в прямом направлении, цепь между K и Э2 останется замкнутой. низкое, на выходе - “1”. Аналогично для X2=1,X1=0.

И только если на оба входа X1 и X2 будет подана “1”, оба эмиттерных перехода будут смещены в обратном направлении . Ток через эмиттеры протекать не будет. При этом переход “Б-К” V1 окажется смещенным в прямом направлении , и по цепи [ источник питания R1 “Б-К” база V2 ] будет протекать ток. При этом V1 работает в инверсном режиме, когда коллектор и эмиттер меняются местами . При этом на базе V2 будет высокий уровень напряжения , и транзистор V2 базовым током, протекающим через коллектор V1, будет открыт до насыщения, При этом транзисторный ключ инвертирует сигнал. На выходе - “0”.

Многоэмиттерный транзистор может иметь и больше эмиттеров . Этот элемент является базовым в серии К155 и К133.

На электрических принципиальных схемах внутреннюю структуру логических элемент ов не показывают. Их изображают условно.

логических элемент ы могут быть многоступенчатыми, когда над некоторыми группами входных сигналов выполняется одна логическая операция, а над результатом ее выполнения - другая.

Пример: “И-ИЛИ-НЕ” . 

V1,V4 выполняют функцию “НЕ”.

“ИЛИ-НЕ” реализуется на параллельном соединении транзисторов V2 и V3.

Рис.9.7.Принципиальная схема элемент а И-ИЛИ-НЕ серии ТТЛ^[k]

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ