Билет 3 вопрос 1

1.3 Двухполюсные элементы

Двухполюсник — это обобщенное название элемента или схемы, которая двумя выходными зажимами (полюсами) присоединена к выделенной ветви. Если в двухполюснике есть источник ЭДС или (и) тока, то такой двухполюсник называют активным. Если в двухполюснике нет источника ЭДС и (или) тока, то его называют пассивным.

Источник напряжения (источник ЭДС)

Источник напряжения (источник ЭДС) – двухполюсный элемент, напряжение которого не зависит от тока через него и изменяется по заданному закону. Изображение источника напряжения приведено на рис. 1.4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) источника напряжения (рис. 1.5) имеет вид прямой, параллельной оси ординат (оси тока). Стрелка ЭДС внутри окружности (рис.1.4) источника напряжения направлена в сторону полюса с большим потенциалом (к положительному полюсу). Напряжение на внешних клеммах (полюсах) источника имеет противоположное направление.

Внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю, поскольку в противном случае напряжение источника будет зависеть от тока через него. Мощность источника напряжения бесконечно велика. При нулевом напряжении источник напряжения эквивалентен проводнику с нулевым сопротивлением.

Рис. 1.4 Рис.1.5

Источник тока

Источник тока – двухполюсный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его полюсах и изменяется по заданному закону. Изображение источника тока приведено на рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) источника тока (рис. 1.7) имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс (оси напряжения). Двойная стрелка ЭДС внутри окружности (рис.1.6) источника тока показывает положительное направление тока источника. Внутреннее сопротивление источника тока равно бесконечности, поскольку в противном случае ток источника будет зависеть от напряжения на клеммах источника.

Мощность источника тока бесконечно велика. При нулевом токе источник тока эквивалентен разрыву между полюсами.

Рис. 1.6 Рис.1.7

Резистивный элемент

Р езистивный элемент (резистор) – это двухполюсный элемент, в котором происходит необратимое преобразование электромагнитной энергии в тепловую и другие виды энергии. Связь между током через резистор и напряжением на резисторе отражается его ВАХ, варианты которых приведены на рис. 1.8. Если ВАХ резистора является прямой линией (линия 1 на рис.1.8), то такой резистор считают линейным. Если ВАХ резистора не является прямой линией (линия 2 на рис.1.8), то такой резистор считают нелинейным.

Рис. 1.8

Обозначение линейного и нелинейного резисторов на схемах приведено на рис. 1.9 и 1.10, соответственно.

Рис. 1.9 Рис.1.10

Линейный резистивный элемент характеризуется такими параметрами как сопротивление и проводимость . Единицей сопротивления является ом (Ом). [ R ] = 1 Ом = 1 В / 1 А. Единицей проводимости является сименс (См). [ G ] = 1 См = 1 Ом^-1.

Мощность, которая преобразуется резистором, определяется согласно закону Джоля-Ленца:

и измеряется в ваттах (Вт). [P] = 1 Вт = 1 В•1 А.

Индуктивный элемент

Индуктивным (катушкой индуктивности) называют двухполюсный элемент, обладающий способностью накапливать энергию магнитного поля и однозначно характеризующийся вебер-амперными характеристиками:

,

примерный вид которых приведен на рис. 1.11. В случае, если вебер-амперная характеристика имеет вид прямой линии (линия 1 на рис.1.11):

,

то индуктивный элемент называют линейным, а коэффициент пропорциональности , входящий в выражение называют индуктивностью. Единица измерения индуктивности – генри (Гн). В случае, если вебер-амперная характеристика не является прямой линией (линия 2 на рис.1.11), то индуктивный элемент называют нелинейным.

Рис.1.11

Обозначение линейного и нелинейного индуктивных элементов на схемах приведено на рис. 1.12 и 1.13, соответственно.

Рис. 1.12 Рис.1.13

Согласно закону электромагнитной индукции напряжение на индуктивном элементе:

.

Для линейного индуктивного элемента, с учетом можно записать

.

Согласно закону электромагнитной индукции изменение собственного потокосцепления (изменение тока через индуктивный элемент) вызывает появление ЭДС самоиндукции на индуктивном элементе:

.

Полярность ЭДС самоиндукции такова, что всегда препятствует изменению тока через индуктивный элемент.

Для линейного индуктивного элемента зависимость тока от приложенного напряжения определяется выражением

,

где –значение тока индуктивного элемента при .

Энергия магнитного поля индуктивного элемента определяется работой, совершаемой электрическим током в процессе создания магнитного поля, измеряется в джоулях и определяется:

.

Емкостной элемент

Емкостным (конденсатором) называют двухполюсный элемент, обладающий способностью накапливать энергию электрического поля и однозначно характеризующийся кулон-вольтными характеристиками:

,

примерный вид которых приведен на рис. 1.14. В случае, если кулон-вольтная характеристика имеет вид прямой линии (линия 1 на рис.1.14):

,

то емкостной элемент называют линейным, а коэффициент пропорциональности , входящий в выражение называют емкостью. Единица измерения емкости – фарада (Ф). В случае, если кулон-вольтная характеристика не является прямой линией (линия 2 на рис.1.14), то емкостной элемент называют нелинейным.

Рис.1.14

Обозначение линейного и нелинейного емкостных элементов на схемах приведено на рис. 1.15 и 1.16, соответственно.

Рис. 1.15 Рис.1.16

Для линейного емкостного элемента, с учетом и можно записать

.

Для линейного емкостного элемента зависимость напряжения от тока определяется выражением

,

где – начальное значение напряжения на емкостном элементе.

Энергия электрического поля емкостного элемента определяется работой, совершаемой электрическим током в процессе создания электрического поля, измеряется в джоулях и определяется:

.

3 Билет 2 вопрос

1.7 Диод. Графическое изображение на принципиальных схемах. Вах p-n перехода и вах полупроводникового диода.

1.7.1 Полупроводниковые диоды Принцип действия

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой – электронной (n) проводимостью (рис 3.1 а). Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела p– и n–слоев, в так называемом электронно–дырочном переходе (p–n–переходе).

Рис.1.8 Полупроводниковый диод:

а — полупроводниковая структура;

б — графическое обозначение диода

1.7.2 Вольт-амперная характеристика идеального диода

Вольт-амперная характеристика идеального диода приведена на рис.3.2 и имеет вид отрезков прямых, совпадающих с осями координат. При наличии прямого тока через идеальный диод падение напряжения на нем равно нулю, а при приложении к идеальному диоду обратного напряжения, обратный ток диода равен нулю.

Рис.1.9 ВАХ идеального диода

1.7.3 Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Рис 1.10

Вольт-амперная характеристика p-n перехода описывается эмпирическим выражением

, где - ток насыщения. (*)

, где - площадь сечения p-n перехода, - плотность дрейфового тока.

При прямом напряжении в выражении (*) можно пренебречь единицей. Поэтому рис.3.3 прямая ветвь имеет вид экспоненты.

При обратном напряжении в выражении (*) можно пренебречь экспоненциальной составляющей и обратный ток p-n перехода равен току насыщения.

Интенсивность генерации основных носителей заряда определяется температурой. При увеличении температуры возрастает интенсивность генерации неосновных носителей заряда и, следовательно, возрастает обратный ток .

При увеличении температуры возрастает температурный потенциал и, следовательно, уменьшается экспоненциальная составляющая в выражении (*). Но рост превышает уменьшение экспоненциальной составляющей, поэтому с ростом температуры прямое падение напряжения на диоде уменьшается.

1.7.4 Вольт-амперная характеристика реального диода

Рис 1.11

Прямая ветвь (рис.3.4) ВАХ реального диода отличается от ВАХ p-n перехода из-за наличия объемного сопротивления слоев полупроводника, прилегающих к p-n переходу.

Отличие обратной ветви (рис.3.4) ВАХ p-n перехода от ВАХ реального диода обусловлено наличием двух факторов:

1. током утечки через p-n переход

2. дополнительной генерацией носителей заряда

Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт–амперной характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 3.3.

Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением U_b. Он создается различными загрязнениями на внешней поверхности p–n структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость p–n перехода и обратный ток через диод. Эта составляющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка 1–2 на характеристике диода (рис. 3.3).

Влияние генерации носителей заряда в p–n переходе обычно сказывается при повышенных обратных напряжениях. Она проявляется вначале в виде некоторого роста обратного тока по мере роста обратного напряжения U_b (участок 2–3), а затем в резком возрастании обратного тока (участок 3–5), характеризующем пробой p–n перехода.

В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда в p–n переходе, различают электрический пробой, проявляющийся на участке 3 – 4, и тепловой пробой, проявляющийся на участке 4 – 5. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным. Рассмотрим эти виды пробоя.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в p–n переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в p–n переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля, носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер.

Лавинный пробой возникает в широких p–n переходах, где при движении под действием электрического поля носители заряда, встречаясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.

В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через p–n переход. Туннельный пробой развивается в узких p–n переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля.

Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3–4 на обратной ветви вольт–амперной характеристики (рис. 3.2). Причина этого заключается в том, что небольшое повышение напряжения на p–n переходе вызывает более интенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или туннельном пробое.

Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в p–n переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности p–n–перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обуславливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка p–n перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выхода прибора из строя.

Тепловой пробой может произойти в результате перегрева отдельного участка p–n перехода вследствие протекания большего обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок 4–5 на рис. 3.3). Тепловой пробой здесь является следствием недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения). Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем перегреве p–n перехода ввиду ухудшения, например, условий теплоотвода. В этом случае он может произойти при меньшем напряжении U_b, минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.

Возможность теплового пробоя p–n перехода учитывается указанием в паспорте на прибор допустимого обратного напряжения U_bдоп и температурного диапазона работы. Величина допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,50,8) U_пр.

Билет 4 вопрос 1