Развитие современных средств автоматизации характеризуется широким использованием полупроводниковых материалов. Полупроводники могут применяться для преобразования некоторых физических величин в электрический сигнал. На базе полупроводниковых диодов и транзисторов строят электронные схемы для усиления, передачи и преобразования электрических сигналов. Отличительной чертой таких схем является компактность, что особенно важно для судовых условий.
Полупроводниковые материалы. К полупроводниковым материалам относятся вещества, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре находится в пределах от, 10-3 до 109 Ом-м. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Наиболее широкое применение находят германий Ge и кремний St. Оба они относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева. Атомы их имеют на своей внешней оболочке по 4 валентных электрона.
Кристаллическая решетка четырехвалентных элементов имеет вид тетраэдра, как у алмаза. В углах и центре тетраэдра располагаются атомы. Каждый угловой атом является центральным для Других четырех ближайших. атомов. Расстояние до всех остальных атомов значительно больше. Связь каждого атома в кристалле с четырьмя соседними атомами осуществляется восемью электронами, из которых четыре «собственных», а четыре «чужих» — по одному от каждого соседнего атома. Поэтому при низкой температуре все валентные электроны. связаны, свободных электронов нет, и кристалл не может проводить электрический ток.
С повышением температуры вследствие теплового движения некоторые валентные электроны покидают свою орбиту и перемещаются в кристалле по произвольным траекториям. Когда освобождается валентный электрон, на орбите образуется дырка, которую можно рассматривать как положительный заряд, поскольку электрон имеет отрицательный заряд. Количество дырок в кристалле химически чистого полупроводника равно, количеству свободных электронов. Кристалл в целом остается электрически нейтральным, но теперь он уже обладает электрической проводимостью, которую называют собственной в отличие от примесной проводимости.
Если в кристалл кремния или германия ввести примеси из атомов пятивалентного элемента (сурьмы, фосфора, мышьяка), то появляются свободные электроны. Действительно, четыре валентных электрона участвуют в создании связей с четырьмя атомами исходного материала. Связь пятого электрона с атомами оказывается значительно слабее. При небольшом энергетическом воздействии он отторгается от атома и свободно перемещается по кристаллу. Атом, примеси оказывается заряженным положительно, хотя кристалл в целом остается нейтральным. Полупроводник с такой примесью обладает электронной проводимостью и называется полупроводником n-типа.
Если в качестве примеси используются трехвалентные элементы (индий, бор, галлий), то кристалл приобретает дырочную проводимость. В этом случае атом примеси, замещая в кристалле атом кремния или германия, образует с соседними атомами исходного материала парноэлектронные связи. Число соседних атомов равно четырем, а атом примеси имеет только три валентных электрона. Из-за нехватки электрона для создания четвертой связи образуется дырка. Кристалл остается нейтральным, но количество дырок преобладает над количеством свободных электронов. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником р-типа.
В пластинке полупроводника, используя трех и пятивалентные примеси, можно создать области p-типа и n-типа. Свободные элементы n-области, двигаясь во всех направлениях, постепенно переходят в p-область. Они. заполняют имеющиеся там дырки. Под действием разности концентраций дырок происходит их диффузия из p-области в n-область. В результате описанного обмена вблизи поверхности раздела образуется обедненный зарядоносителями слой. Со стороны n-области в нем находятся ионизированные атомы исходного материала, имеющие положительный заряд, а со стороны р-области ионизированные атомы примеси с отрицательным зарядом. Поскольку атомы жестко привязаны к своему месту в кристаллической решетке, у поверхности раздела областей создается контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшей диффузии электронов и дырок. Здесь образуется так называемый электронно-дырочный переход, или переход р —n.
К описанной пластинке можно приложить внешнее напряжение. Если плюс источника присоединяется к n-области (точка б), а минус — к р-области (точка а), то полярности внешнего напряжения и контактной. разности потенциалов совпадают. Такое подсоединение называют обратным. Положительный полюс батареи забирает из n-области оставшиеся свободные электроны. Отрицательный полюс отталкивает электроны, перешедшие в р-область. Толщина электронно-дырочного перехода на поверхности раздела увеличивается. Лишь немногие электроны могут пройти через него. Поэтому в полупроводнике протекает обратный ток небольшой величины.
При прямом подключении плюс источника подсоединяется к точке а, минус— к точке б. Положительный полюс по-прежнему притягивает, а отрицательный — отталкивает электроны. Теперь, однако, полярность внешнего напряжения способствует уменьшению толщины электронно-дырочного перехода. Сопротивление контактного слоя уменьшается, и через полупроводник протекает прямой ток, который в сотни раз больше обратного тока. Зависимость прямого Iп и обратного I0 тока от приложенного напряжения нелинейная. При достаточно большом напряжении, называемом напряжением пробоя, или напряжением Зенера, начинается резкое увеличение обратного тока. Оно может привести к порче полупроводника, если не ограничить ток.
Рис. 1. Электронно-дырочный переход:
а — схема образования; б — вольтамперная характеристика
Полупроводниковый диод. В качестве основного элемента полупроводниковый диод имеет кристалл с р—n-переходом. Исходным материалом обычно служит германий или кремний. Количество зарядоносителей у германия больше, чем у кремния. Однако кремний сохраняет работоспособность при температурах до 85—100°С, в то время как работоспособность германия ограничивается температурой 50—60°С. Конструктивно диод обычно выполняется из полупроводниковой пластины толщиной менее 0, 5 мм с проводимостью n-типа. В нее вплавляют стержень из трехвалентного металла. При этом некоторое количество металла диффундирует в пластину, и часть ее приобретает проводимость р-типа. Между частями с различной проводимостью образуется р—n-переход. Пластина со стержнем размещается в герметичном корпусе, имеющем два проволочных вывода.
Свойство односторонней проводимости диодов широко используется в выпрямителях, ограничителях амплитуды, детектирующих устройствах и логических схемах. Свойство р-n-перехода резко увеличивать обратный ток при напряжении пробоя используется в опорных диодах, или стабилитронах, предназначенных для стабилизации напряжения постоянного тока.
Транзистор. Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором две области однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости. Между областями образуются два встречно включенных р—n-перехода. В зависимости от взаимного расположения областей различают транзисторы типа р—n—р и типа n—р—n. Среднюю область называют базой транзистора, а крайние — эмиттером Э и коллектором К. Соответственно различают эмиттерный и коллекторный р—n-переходы. Толщина базы составляет несколько микрон. Она должна быть меньше диффузионной длины зарядоносителей. Площадь эмиттерного перехода делают меньше площади коллекторного перехода. Поэтому, несмотря на симметричность структуры, характеристика транзистора при прямом и обратном включении не совпадает.
Если к эмиттеру и коллектору приложить внешнее напряжение Uэк, оно оказывается обратным по отношению к одному из р—n-переходов. Чтобы через транзистор протекал ток, необходимо ослабить или ликвидировать запирающее действие этого перехода. С этой целью создается разность напряжений между базой и эмиттером или коллектором. Появляется ток базы Iб. Он ослабляет действие запирающего р—n-перехода. Через транзистор начинает проходить ток нагрузки. Величина его зависит от тока базы Iб и напряжения Uэк. Поэтому, изменяя ток базы, можно регулировать ток нагрузки.
Рис. 2. Транзисторы типов р — n — р и n — р — n:
а, в — схемы; б, г — условные обозначения
Рис. 3. Схемы включения транзисторов:
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором
Вход и выход транзистора подключают по схеме с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК). Схемы собщим эмиттером и общим коллектором обеспечивают усиление по току в 20—80 раз. В схемах с общей базой и общим эмиттером получается усиление по напряжений, зависящее от сопротивления нагрузки. Наибольшее усиление по мощности обеспечивает схема с общим эмиттером. Поэтому схему включения транзистора выбирают в зависимости от конкретных условий. В системах дискретной автоматики чаще всего применяют схему с общим эмиттером.
Транзистор может работать в активном и ключевом режимах. Активный режим является основным при построении линейных усилителей. Он характеризуется пропорциональным влиянием входных параметров на выходные. При ключевом режиме транзистор попеременно находится в состояниях насыщения или отсечки. Состояние насыщения наступаем, когда через оба р—n-перехода протекает прямой ток. Для достижения его ток входной цепи должен быть больше, чем необходимо для получения максимального тока на выходе. Транзистор в этом состоянии полностью открыт. В состоянии отсечки через оба р—n-перехода протекает обратный ток, что достигается соответствующим выбором полярности входного напряжения. Для транзисторов типа р—n—р с этой целью на базу бодают положительное напряжение, а для транзисторов типа n—р—n—отрицательное. Считают, что в состоянии отсечки транзистор закрыт, или заперт, хотя в действительности через него проходит небольшой ток. Использование ключевого режима позволяет увеличить передаваемую мощность и уменьшить влияние температуры на параметры транзистора. При этом легче осуществляется взаимозаменяемость транзисторов, так как требования к точности совпадения характеристик становятся менее жесткими.
Усилитель. Усилителем называют устройство, в котором происходит увеличение напряжения, тока или мощности входного сигнала при допустимом искажении его формы. Для усиления используется энергия внешнего источника. Существует множество различных усилителей. В системах автоматизации чаще всего применяют полупроводниковые усилители. По виду усиливаемого сигнала различают: а) усилители гармонических колебаний для усиления сигналов переменного тока разной частоты; б) импульсные усилители для усиления сигналов, прямоугольной и близкой к ней формы; г) усилители постоянного тока для усиления медленно изменяющихся сигналов.
К основным показателям работы усилителя относятся коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Для значительного усиления сигнала по всем трем показателям применяют многокаскадные усилители. Связь между отдельными каскадами осуществляется так, чтобы получить нужные свойства усилителя. Обычно применяют емкостную (RC), трансформаторную или гальваническую связь. Нередко наряду с прямыми связями используют обратную, когда часть энергии с выхода усилителя подается на его вход.
Усилительный каскад обычно состоит из одного транзистора и ряда вспомогательных элементов. Транзистор включается чаще всего по схеме с общим эмиттером. Входной сигнал U1 подается между базой и эмиттером транзистора. Выходной сигнал снимается либо между коллектором и эмиттером Uк, либо между коллектором и источником питания UR. Резистор Rк служит для создания изменений выходного напряжения. При Rк = 0 коллекторный ток Iк не влияет на выходное напряжение. Резистор Rб задает ток базы, который поступает на вход транзистора при U1 = 0. Следовательно, при отсутствии входного сигнала через транзистор проходит постоянный ток, зависящий от напряжения Uбэ. Под действием переменного напряжения U1 изменяется ток базы, а следовательно, коллекторный ток Iк и напряжение Uк. Переменная составляющая U2 коллекторного напряжения через разделительный конденсатор СР подается нa следующий каскад усиления или к нагрузке Rн Резистор Rк создаёт сдвиг по фазе между напряжением U1 и U2 на 180°.
В зависимости от амплитуды входного сигнала и напряжения Uбэ, подаваемого на базу при Ux — 0, транзистор может быть открыт либо в течение всего периода сигнала, либо только в течение части периода. По этому признаку различают три класса работы усилителя А, В и С. В классе Л напряжение Uбэ превышает амплитуду входного сигнала, и транзистор все время находится в активном режиме. В классе В из за отсутствия начального смещения транзистор пропускает только отрицательную полуволну. В классе С усиливается лишь верхняя часть одной полуволны. Если транзистор работает в ключевом режиме, то усиливаются дискретные сигналы.
Рис. 4. Усилительный каскад с общим эмиттером:
а — схема; б — диаграмма сигналов при работе в классах А, В, С
Рис. 5. Схема усилительных каскадов:
а — эмиттерный повторитель; б — составной транзистор
Чтобы уменьшить влияние температуры, в схему усилительного каскада с общим эмиттером вводят дополнительные элементы. Высокую стабильность параметров имеет эмиттерный повторитель, у которого нагрузка включается в эмиттерную цепь. Выходное напряжение его по амплитуде и фазе повторяет входной сигнал. В нем осуществляется отрицательная обратная связь, так как при увеличении тока базы возрастает падение напряжения на резисторе Rэ, что уменьшает напряжение базы относительно эмиттера. Коэффициент усиления по мощности у эмиттерного повторителя меньше, чем у каскада с общим эмиттером. Однако эмиттерный повторитель имеет большое входное сопротивление и малое выходное, что позволяет использовать его в качестве согласующего звена между высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой.
Чтобы повысить коэффициент усиления одного каскада, иногда применяют так называемый составной транзистор (схема Дарлингтона). Здесь транзистор Т1 малой мощности управляет транзистором Т2 большой мощности. Коллекторный ток Iк равен сумме коллекторных токов каждого транзистора. Поскольку Iб2 = Iэ1 коэффициент усиления по току немного превышает произведение коэффициентов усиления каждого транзистора. Часто составной транзистор работает в ключевом режиме. Его можно использовать для управления выходными реле.
Усилители постоянного тока (УПТ) широко используют в цепях преобразования физических величин в электрические. При построении их применяют только гальваническую связь между каскадами. Обладая рядом достоинств, такая связь не обеспечивает стабилизации параметров усилителя. Благодаря внутренним процессам в усилителях постоянного тока происходит так называемый дрейф нуля, когда выходное напряжение изменяется при постоянном напряжении на входе.
Используемая литература: Ейдвюс А. И. Системы и средства автоматизации судовых
холодильных установок. М.: Легкая и пищевая пром-сть,
1983.— с.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com