1.3 Индуктивность
Подразумевают физическую величину, характеризующую магнитные свойства электрической цепи, вводится как коэффициент пропорциональности между силой электрического тока I в контуре и вызываемым этим током магнитным потоком Ф:
L=
Индуктивность
зависит от размеров и формы контура, а
также от магнитной проницаемости µ
окружающей среды и проводников, образующих
электрическую цепь. Для неферромагнитных
сред и проводников индуктивность
жесткого (недеформируемого) контура
постоянна. Через индуктивность выражается
ЭДС самоиндукции ε, возникающая при
изменении тока
.
Единицы индуктивности – генри, микрогенри, пикогенри.
Одним из вариантов конструкции, содержащей индуктивность, являются катушки, имеющие определенное число витков, изолированных друг от друга. Например, в каналах связи по линиям электропередачи есть так называемые заградители – катушки, изготовленные из такого же провода, что и провода линии электропередачи (рисунок 1.17):
Рисунок 1.17 – Заградитель
Размеры заградителей – примерно 1х1 метр, содержат 20-30 витков, между которыми установлены распорки для жесткости. Величина индуктивности, например, 0,0124 мГн.
Условное изображение индуктивности изображено на рисунке 1.18, оно одинаково как в европейских, так и в американских стандартах.
Рисунок 1.18 – Условное изображение индуктивности
Обычно, между витками катушки индуктивности имеется паразитная емкость С, а сами витки выполняются, например, медным проводом с сопротивлением R (рисунок 1.19):
Рисунок 1.19 – Паразитная межвитковая емкость С и сопротивление проводника R
Если в катушке индуктивности помещается магнитопровод, то рядом с изображением рисунка 1.18 проводят жирную черту.
В комплексной форме сопротивление цепи с индуктивностью z=jwL. Цепь с последовательно включенными резистором и индуктивностью изображена на рисунке 1.20.
Рисунок 1.20 – Последовательное соединение сопротивления R индуктивности L
Коэффициент передачи цепи рисунка 1.20 – это отношение комплексного сопротивления индуктивности (выходной части) к полному сопротивлению:
Так как внешний вид передаточных функций дифференцирующей цепи и цепи с индуктивностью на выходе полностью совпадают, то графики рисунков 1.13, 1.14, 1.15 такие же и для цепи рисунка 1.20.
Условным гидравлическим эквивалентом индуктивности является масса (вес) жидкости. Конечно, гидравлических катушек индуктивности нет. Тем ни менее, ЭДС самоиндукции в электрической цепи и гидравлический удар в трубопроводах похожи друг на друга. Если в нефтепроводе с движущейся нефтью или в водопроводе резко перекрыть путь протеканию, то инерция движения может разорвать препятствие и сам трубопровод. Аналогично в электронных цепях с индуктивностью транзисторный ключ, прекращающий протекание тока, повреждается ЭДС самоиндукции.
1.4 Диоды
От греческого di – дважды, двойной – двухэлектродный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока: высокой для токов прямого направления и низкой для токов обратного направления. Условное изображение диода приведено на рисунке 1.2.
Рисунок 1.21 – Условное изображение диода
Наиболее часто диоды используют в схемах источников питания для выпрямления переменного напряжения. Типовыми являются следующие варианты – рисунок 1.22.
В схемах Тр – трансформатор, преобразует сетевое напряжение. Однофазный трансформатор может быть заменен многофазным. Если выходное напряжение низкое, то в бытовых маломощных случаях трансформатор выполняет одновременно роль гальванической развязки, защищающей людей от случайного прикосновения к высокому напряжению сети. Развязка неидеальная, но всё-таки хоть как-то защищает. Первая схема рисунка 1.22 а) осуществляет однополупериодное выпрямление, вторая б) – двухполупериодное, третья в) – мостовое, двухполупериодное выпрямление, четвертая г) – двухполупериодное выпрямление со средней точкой.
Диоды бывают низкочастотными, среднечастотными и высокочастотными. Все цепи рисунка 1.22, выполненные с низкочастотными диодами, не могут быть использованы в высокочастотных цепях, так как вследствие инерционности процессов запирания (закрывания) диоды проводят ток как в прямом, так и в обратном направлениях.
Инженерным (оценочным) критерием при выборе диодов является соотношение, при котором время закрывания (запирания) не превышает сотую часть полупериода приложенного напряжения.
а) б)
в) г)
Рисунок 1.22 – Схемы диодных выпрямителей
В основе работы обширного класса полупроводниковых диодов лежит использование электронно-дырочных переходов – граница раздела областей с противоположными типами проводимостей (p-n-переходами).
Рисунок 1.23 – Конструкция а); электрический барьер б); электрическое поле в); г) условное изображение диода
В современных полупроводниковых приборах p-n-переходы создаются специальными технологическими приемами, целью которых является получение такого распределения примесей, что внутри одного и того же кристалла полупроводника образуются области типа p и n. В области p - дырки, в n – электроны (рисунок 1.23).
Слева от перехода на рисунке 1.23,а) образуется избыток дырок, следовательно, в этой области они будут основными носителями, а электроны – неосновными, справа от перехода избыток электронов, которые являются основными носителями зарядов, дырки – неосновные носители. Электроны частично переходят в левую область под действием электрического притяжения положительных зарядов дырок, а дырки с положительными зарядами переходят в правую область под действием электрического притяжения электронов. Переход производится до тех пор, пока не установится равновесие, вместе с тем на границе контакта образуется электрический барьер, высота которого может изменяться. Если приложить «плюс» полярности источника питания к p-области, а «минус» к n-области, то барьер становится минимальным, протекает прямой тока слева направо по рисунку 1.23,а); г). При приложении в направлении справа налево, барьер вырастает, ток почти не протекает.
Типовая характеристика диода изображена на рисунке 1.24.
Рисунок 1.24 – Типовая характеристика диода
В первом квадранте диод обладает проводимостью в третьем – закрыт. Первый квадрант используется для выпрямления электрического тока. Третий квадрант определяет Uдоп – от нескольких вольт до тысяч вольт. Кроме того характеристика третьего квадранта применяется, например, в стабилитронах. Но если в обычном диоде будет превышен порог Uдоп, то диод сгорит (произойдет внутренний пробой).
Известны разновидности диодов таких как: TRANSIL, HEXFRED, варикапы, PIN-диоды, СВЧ-диоды и т.д. TRANSIL и HEXFRED применяются в импульсных схемах электроники, защищают мощные ключи, т.к. имеют незначительное время восстановления закрытого состояния. В PIN-диодах в области перехода размещается слой повышенного сопротивления, поэтому время рассасывания неосновных носителей убывает, диоды обладают большей высокочастотностью.
Ведущими фирмами производителями в области электроники являются Infineon Technologies, Mitsubishi Electric, Semikron, Motorola и др. Что касается российских производителей, то в наибольшей степени их состояние отмечено в источнике [3].
Диоды Шоттки образуют контакты металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникает обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными, образуют барьер Шоттки. Диоды с барьером Шоттки отличаются от диодов с p-n переходом по следующим параметрам:
более низкое прямое падение напряжения;
более низкое обратное напряжение;
более высокий ток утечки;
почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.
Таким образом общие отличия: диоды Шоттки обладают высокой частотностью в сравнении с обычными диодами с p-n переходом, но малыми напряжениями и токами. В среднем, диоды Шоттки позволяют уменьшить потери мощности на 10-15 %, прямое падение напряжения 0,4-0,6 вольт (вместо 0,7-1 вольт), частота свыше 200 КГц, ток до 30 ампер.
К специальным типам диодов относят варикапы, варакторы(от слова ёмкость – «кэпэсити», «кап»- конденсатор, «вари» - переменный); стабилитроны – зеннеровский и лавинный пробой; туннельные и обращенные диоды; фотодиоды, светодиоды.
Варикапы – это тоже диоды, но в связи с тем, что на границе запирающего слоя располагаются положительные и отрицательные заряды, то диоды можно представлять как конденсаторы, емкость которых изменяется под воздействием приложенного напряжения.
Схемное изображение варикапа приведено на рисунке 1.25,а.
а) б)
Рисунок 1.25 – Схемное изображение варикапа а) и его характеристика б)
Рисунок 1.25, б) показывает типовой вид зависимости величины емкости от приложенного напряжения.
Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. Типовые характеристики для случая использования в режиме стабилизации напряжения изображены на рисунке 1.26.
Рисунок 1.26 – Типовые характеристики стабилитронов в режиме стабилизации напряжения
Если используется I квадрант, то стабисторы (диоды в режиме стабилизации малых напряжений). В третьем квадранте при напряжениях больше 5 вольт положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), лавинный пробой, при меньших напряжениях зеннеровский пробой (тоже самое, но ТКН отрицательный вследствие малого напряжения). Штриховые линии соответствуют более высокой температуре.
Туннельный диод – это модернизация обычного диода, заключающаяся в очень тонком обедненном слое, при этом образуется туннельный эффект. Схематичное изображение туннельного диода приведено на рисунке 1.27,а), его характеристики на рисунке 1.27,б).
а) б)
Рисунок 1.27 – Условное изображение туннельного диода а) и вольтамперная характеристика б)
Из рисунка 1.27,б) следует, что вначале ток туннельного диода возрастает, затем убывает и далее ветвь возрастает, как у обычного диода. Так что, если бы туннельный эффект отсутствовал, то были бы обычные диодные характеристики от нуля, как показано штриховой линией. Участок характеристики с отрицательным наклоном называют участком с внутренней положительной обратной связью, относят к «N»-типу. Известна и у других полупроводниковых структур с примесями. Другой вид характеристики – S-типа, как показано на рисунке 1.28.
Рисунок 1.28 – Характеристика S-типа
Здесь так же имеется участок отрицательного сопротивления, как и на рисунке 1.27, б), с внутренней положительной обратной связью. Приборы с характеристиками N- или S-типа в литературе по электронике называют негатронами, поэтому прибор на рисунке 1.27 – туннельный диод более точно было бы называть полупроводниковым прибором с характеристикой N-типа, но так сложилось исторически.
Так как слой обеднения очень тонкий, то туннельные диоды могут работать и в СВЧ-диапазоне. На туннельных диодах собирают схемы триггеров, ждущих и автоколебательных генераторов и т.д.
Под «обеднением» и «обогащением» в электронике подразумевают уменьшение или увеличение количества носителей в определенной области полупроводника, например, как показано на рисунке 1.29.
Рисунок 1.29 – Обеднение и обогащение зарядов в полупроводнике
На рисунке 1.27 U1 равно примерно 0,3 вольта, U2 – 0,6-0,7 вольта, как у обычного диода.
Обращенный диод
является вырожденным туннельным диодом,
получается подбором концентрации
примесей таким образом, чтобы границы
зон не перекрывались, а совпадали при
отсутствии внешнего смещения на переходе.
Вольтамперные характеристики обращенного
диода приведены на рисунке 1.30, а), а его
условное обозначение – на рисунке 1.30,
б).
а) б)
Рисунок 1.30 – Вольтамперные характеристики обращенного диода а) и условное обозначение б)
Обращенные диоды применяются для выпрямления на СВЧ – частотах очень малых напряжений. Однако при использовании обращенного диода необходимо поменять местами анод и катод, так как меняются местами области выпрямления. Это и обусловило название диода – обращенный.
Фотодиоды преобразуют
световой поток в электрический ток.
Типовые вольтамперные характеристики
и условное обозначение приведены на
рисунке 1.31.
а) б)
Рисунок 1.31 – Вольтамперные характеристики а) и условное обозначение фотодиода б)
Выделяют два режима работы фотодиода. Первый – режим короткого замыкания или режим фотосопротивления. При отсутствии освещения сопротивление фотодиода достигает нескольких мегом. Например, цепь как на рисунке 1.32, а):
а) б)
Рисунок 1.32 – Схема включения фотодиода в режиме фотосопротивление а); нагрузочная прямая на семействе характеристик б)
Следовательно, основным сопротивлением в последовательной цепи является фотодиод VD, на нем падает почти полностью напряжение E0. По мере увеличения освещения сопротивление на VD убывает, следовательно, возрастает ток в общей цепи – рисунок 1.32,б).
Второй режим –
фотогенераторный. Вариант схемы изображен
на рисунке 1.33. При возрастании освещения
каждый фотодиод генерирует напряжение
до 0,4 вольта при высоком внутреннем
сопротивлении, то есть мощность невелика.
Рисунок 1.33 – Фотогенераторный режим фотодиода
Последовательное включение делается для того, чтобы увеличить общее напряжение, сделать его достаточным для преодоления зоны нечувствительности, например, перехода база-эмиттер биполярного транзистора, которое составляет 0,6 - 0,7 вольт.
Условное изображение (обозначение) светоизлучающих диодов приведено на рисунке 1.34, а).
а)
б)
Рисунок 1.34 – Условное обозначение светодиода а), спектральные характеристики излучений б)
При протекании тока I светодиод излучает свет, спектральные характеристики могут быть различными, например, как показано на рисунке 1.34, б).
Инжекционный лазер-светодиод, излучает монохроматический световой поток(когерентное излучение).