Особо опасные помещения.

Помещение без повышенной опасности:

· в них нет неизолированных проводов или корпусов электроустановок;

· неэлектропроводящие полы;

· влажность воздуха не более 60%; сухое, отапливаемое помещение;

· работа вентиляции, отсутствие загазованности, запыленности и др..

Помещение с повышенной опасностью:

· наличие неизолированных корпусов машин и возможность одновременного прикосновения человека к ним и конструкциям, имеющим соединение с землей;

· электропроводящие полы (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т. д.);

· влажность выше 75% или наличие токопроводящей пыли;

· высокая температура (больше 35 ^оС)помещения;

Особо опасные помещения:

Признаки помещения с повышенной опасностью, + особая влажность, близко к 100% ( внутренние поверхности помещения покрыты влагой), t=35 градусов и выше, наличие паров кислот или щелочей в воздухе и др.

Электротехнологии в строительстве

Наиболее применимыми в строительной индустрии можно считать следующие электротехнологии: электросварка; электрообогрев бетона; электрооттаивание грунта, замерзших труб; электроосмос.

Электросварка – может выполняться постоянным или переменным током. Сварка постоянным током позволяет обеспечивать лучшее качество шва. Недостатки – требуется специальные выпрямители постоянного тока. При сварке образуется постоянные магнитные поля, т.к. большие сварочные токи, у проводов, подводящих ток к электроду, и они воздействуют на электрическую дугу – это называется магнитным дутьем.

Чаще используется сварка переменным током.

Для выполнения сварочных работ необходимо подобрать сварочный ток и электрод. Диаметр электрода выбирается обычно по толщине сварочного материала из условия их примерной соизмеримости. Выбрав диаметр электрода (dэ), подбирают сварочный ток по примерному соотношению Iсв= (30…50)dэ. Определившись с током, можно выбрать сварочный трансформатор (часто они позволяют регулировать сварочный током путем регулирования зазора в магнитопроводе).

Напряжение на вторичной обмотке сварочного трансформатора в режиме холостого хода составляет около 80 В, в рабочем режиме - 50..60 В.

Переносные сварочные трансформаторы выпускаются на сварочные токи больше на 600А, а бытовые – до 100А.

Электрообогрев бетона – технология применяется обычно при ведении железобетонных работ в зимнее время. Чтобы не заморозить свежий бетон, его искусственно обогревают пока он не наберет 50%своей прочности. Возможен электрообогрев: электродным способом, инфракрасным излучением и индукционным способом. Наиболее распространенный – электродный способ обогрева. В свежеуложенный бетон устанавливаются электроды (арматура Ø 10 мм) – через смесь пропускают электрический ток. Ток нагревает бетон и не дает ему замерзнуть. Методики подбора количества электродов, расстояния между ними и др. – в справочниках. Ориентировочно, на обогрев1 м3 бетона расходуется 100 кВт-час электроэнергии. Допускается

только переменный ток. Температура нагрева не должна превышать 70..80 ^оС.

Инфракрасный – менее эффективный, т.к. более энергозатратный.

Электроиндукционный обогрев – это устройство типа СВЧ – печки.

Электрообогрев грунта проводится обычно с помощью электродов, забиваемых в грунт. При этом, т.к. мерзлый грунт неэлектропроводен, вначале сверху укладывают слой опилок, пролитых раствором поваренной соли.

Возможно оттаивание та и с помощью ТЭНов(трубчатых электронагревателей), погруженных в просверленные в грунте отверстия.

Трубчатые электронагреватели. Оттаивание трубопровода

электроды.

электроды

Слой опилок, пропитанный

соленой водой

Электроосмос

Технологии, улучшающие водоотдачу грунта или другой среды при пропускании через него постоянного электрического то увеличивается водоотдача (до 20раз), если присоединить

стержень к «+», а ЛИУ (легкую иглофильтровую установку) к «-» см. рис. 4 г.

Рис.19. Схемы иглофильтровых установок

а - котлован с легкими иглофильтрами в один ярус; б - то же в два яруса; в, д - эжекторная иглофильтровая установка и фильтровое звено; г - схема электроосушения; 1 - рабочий насос; 2 - водоотводный коллектор; 3 - иглофильтр; 4 - уровень грунтовых вод после осушения; 5 - низконапорный насос; 6 - стальной стержень (анод); УГВ - уровень грунтовых вод.

ЭЛЕКТРООСВЕЩЕНИЕ

Установлено, что свет представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 0,4…1 мкм.

Энергия в виде фотонов света выделяется из атомов при переходе электронов с большей орбиты на меньшую. Этому в некоторых материалах может способствовать их нагрев до температур 2500 ^оС и выше. Источником света может быть электрическая дуга, возникающая в газовой среде. Некоторые материалы могут излучать свет под воздействием внешнего, относительно небольшого, электрического поля (в светодиодах, лазерах и др.).

Световой поток – часть лучистой энергии, исходящей из объекта, воспринимаемый человеческим глазом. Измеряется в люменах [лм].

Освещенность – световой поток, приходящийся на единицу площади поверхности. Измеряется в люксах [лк].

Светоотдача – это характеристика использования электрической энергии в источнике света для получения света (светового излучения), [лм/Вт]. Эта характеристика показывает на сколько эффективно в световом источнике используется электрическая энергия.

Пульсация светового потока (глубина пульсации светового потока) – характеристика, показывающая на сколько изменяется световой поток, излучаемый источником, при питании его переменным током. Из графика изменения светового потока можно определить параметр – глубину пульсаций.

Глубина пульсаций 50%.

При частоте переменного тока 50 Гц частота пульсаций светового потока для большинства источников света (ламп накаливания) составляет 50 Гц.

Источники света могут характеризоваться и параметром – температурой света. Так, при

температуре источника света 3000 – 4000 градусов источник светится с желтоватым оттенком. Солнце принимается за источник белого света. Температура на поверхности Солнца составляет около 5600 ^оС. При больших температурах свет будет иметь оттенок синего или даже фиолетового света.

Освещенность

Ф – световой поток определенной мощности;

К1 – коэффициент использования светильника (осветительного прибора);

К2 – коэффициент учитывающий уменьшение светового потока лампы с течением времени (старение лампы);

S – площадь поверхности освещения.

Электрические лампы

В качестве источников света в настоящее время в основном используются лампы накаливания и

газоразрядные лампы.

Принцип действия лампы накаливания основан на свечении спирали в стеклянной колбе, заполненной инертным газом. Лампы накаливания отличается своей простотой, небольшой глубиной пульсации света.

Недостаток: небольшая светоотдача 15 – 20 [лм/Вт],

на световое излучение в лампе накаливании уходит 5 – 10%,

а остальное уходит на тепловое излучение (инфракрасное).

Температура спирали обычно равна 3000 градусов.

Более совершенными из ламп накаливания являются галогенные лампы. Для повышения эффективности в колбу таких ламп добавляют химические элементы - галогены – йод и его соединения; иногда газ ксенон или другой. Добавление этих веществ приводит к тому, что спираль можно нагревать до больших температур по тому, что в таких лампах ионы перегретого металла (вольфрама), отрываясь от спирали не осаждаются на внутренних стенках стеклянной колбы, а вступают в реакцию с галогенами и обратно притягиваются спиралью. У галогенных ламп светоотдача до 30 лм/Вт.

Газоразрядные лампы

Источник света – электрический разряд или электрическая дуга, возникающая в определенной газовой среде. Достоинство: светоотдача в 4 – 5 раз больше, чем у ламп накаливания (70 – 100 лм/Вт). Недостаток: большая глубина пульсаций света (до 75%); во многих лампах (ртутных) спектральный состав излучения значительно смещен в зону ультрафиолета.

По конструкции газоразрядные лампы условно различают: лампы низкого давления;

лампы высокого давления.

Лампы низкого давления - люминесцентные лампы (требуют выносных пуско-регулирующих устройств). Принцип действия ЛЛНД основан на дуговом разряде в парах ртути низкого давления. Получающееся при этом ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое в слое люминофора, покрывающего внутренние стенки лампы. Лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие по два электрода, между которыми находится катод в виде спирали. В трубку лампы введены пары ртути и инертный газ, главным образом аргон. Назначением инертных газов является обеспечение надежного загорания лампы и уменьшение распыления катодов. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой люминофора.

Применяются ЛЛНД с различной цветностью, которую можно получить с помощью люминофора – галофосфата кальция в зависимости от цветовой температуры лампы. Цветовой температурой называется температура абсолютно черного тела, при которой цвет его излучения совпадает с цветом излучения самого тела.

ЛД – лампы дневного цвета, имеющие цветовую температуру 6500 К, соответствующую цветовой температуре голубого неба без солнца (К – Кельвин. Т= t+ 273, где Т- температура в К, t - температура в °С).

ЛХБ – лампы холодно-белого цвета с цветовой температурой 4800 К, соответствующей цветовой температуре дневного неба, покрытого тонким слоем белых облаков.

ЛБ – лампы белого цвета с цветовой температурой 4200 К, соответствующей цветовой температуре яркого солнечного дня.

ЛТБ – лампы тепло-белого цвета с цветовой температурой 2800 К, соответствующей цветности излучения ламп накаливания.

В обозначениях ламп с улучшенной цветностью в конце добавляется буква Ц, например, лампы ЛДЦ.

Пускорегулирующие аппараты со стартерным зажиганием для ламп ЛЛНД

Стартерный пускорегулирующий аппарат (ПРА) состоит из дросселя и стартера, иногда могут применяться компенсирующие конденсаторы. Дроссель служит для стабилизации режима работы лампы. При зажигании лампы стартер не размыкает свои контакты в течение времени, необходимого для разогрева электродов лампы до температуры термоэлектронной эмиссии, быстро размыкает контакты после разогрева электродов, поддерживает контакты разомкнутыми во время горения лампы.

На рис. 20 - б представлена схема устройства стартера тлеющего разряда. Он представляет собой баллон из стекла, наполненный инертным газом, в котором находятся металлический и биметаллический электроды, выводы которых соединены с выступами в цоколе для контакта со схемой лампы При включении лампы согласно схемы рис. 20- а на электроды лампы и стартера подается напряжение сети Uс, которое достаточно для образования тлеющего разряда между электродами стартера. Поэтому в цепи протекает ток тлеющего разряда стартера Iтл = 0,01…0,04 А. Тепло, выделяемое при протекании тока через стартер, нагревает биметаллический электрод, который выгибается в сторону другого электрода. Через промежуток времени тлеющего разряда tтл = 0,2…0,4 с контакты стартера замыкаются – момент t1 на рис. 20- в, и по цепи начинает течь пусковой ток Iпуск. величина которого определяется напряжением сети и сопротивлениями дросселя и электродов лампы. Этого тока не достаточно для нагревания электродов стартера, и биметаллический электрод стартера разгибается, разрывая цепь пускового тока. Предварительно пусковой ток разогревает электроды лампы. Благодаря наличию в цепи индуктивности, при размыкании контактов стартера в цепи возникает импульс напряжения в момент времени t2 -зажигающий лампу. Время разогрева электродов лампы составляет 0,2…0,8 с что в большинстве случаев недостаточно, и лампа может не загореться с первого раза, и весь процесс может повториться.

Рис 20. Стартерное зажигание люминесцентной лампы:

а) схема включения: EL - лампа, VL - стартер, LL - дроссель; 6} схема стартера 1 – контакты, 2 - металлический электрод, 3 - баллон, 4 - биметаллический электрод, 5 - цоколь; в) диаграмма изменения напряжения на лампе и тока в лампе при зажигании: Uс - напряжение сети,Uимп – импульс напряжения, зажигающий лампу, Uтл – напряжение тлеющего разряда, Iтл – ток тлеющего разряда, Iпуск – пусковой ток, Iр – рабочий ток; tтл – период тлеющего разряда, t1 - момент замыкания контактов стартера, tзам – период замыкания контактов стартера, t2 – момент появления импульса напряжения на электродах лампы, tпуск- общая длительность пускового режима лампы.

Общая длительность пускового режима лампы Iпуск составляет 5…15 с. Длительность пускового импульса при размыкании контактов стартера составляет 1…2 мкс, что недостаточно для надежного зажигания лампы, поэтому параллельно контактам стартера включают конденсатор емкостью 5…10 пф.

Дуговые ртутные лампы высокого давления (ДРЛ)

При повышении давления в лампе и плотности тока разряд в ней становится более интенсивным по излучению. Наряду с излучением в видимой области спектра получается излучение в ультрафиолетовой области. При использовании такого разряда в источниках света требуется исправление его цветности путем преобразования ультрафиолетового излучения в красное.

Для получения такого излучения используются трубчатые кварцевые лампы, называемые в данном случае горелками. Горелка представляет собой кварцевую трубку с впаянными по концам катодами на больший ток, чем при разряде низкого давления. С целью облегчения зажигания впаиваются дополнительные электроды зажигания в один или оба конца трубки, соединенные с противоположным катодом через добавочное сопротивление R - рис. 21. Из-за малого расстояния между основным и дополнительным электродами между ними происходит разряд при включении лампы, приводящий к ионизации газа в трубке. Когда сопротивление столба разряда в трубке станет меньше добавочного сопротивления в цепи дополнительного электрода, начинается разряд между основными электродами. Такие горелки применяются в лампах ДРЛ. Так как работа горелки зависит от действия внешней среды, то она размещается внутри колбы лампы, покрытой изнутри люминофором, который поглощает ультрафиолетовое излучение и превращает его в видимое красное. Внешняя колба лампы наполняется инертным газом. Время, в течение которого происходит установление нормального режима работы лампы, называемое временем разгорания, составляет 7…10 мин. Повторное зажигание лампы возможно только после ее остывания.

Рис. 21. Схема конструкции горелки лампы ДРЛ:

1 - основной электрод, 2 - электрод зажигания, 3 - вводы, R - добавочное сопротивление.

Рассмотренные лампы требуют для своей работы ПРА. Лампа с горелкой и нитью накала в колбе не требует специальных устройств для включения и может прямо включаться в сеть. Такие лампы называются ртутно-вольфрамовыми.

ДНаТ – натриевые

Давление в них несколько превышает атмосферное.

Горелка разогревается больше 1300 градусов.

 

Натриевые лампы по исполнению обычно отличаются вытянутой наружной колбой.

 

Натриевые светят оранжевым светом. В горелке используются не пары ртути, а

соединения натрия.

 

Осветительными приборами обычно является конструкции, содержащие отражатели света и элементы, фокусирующие и направляющие световой поток.

По конструкции светильники бывают:

 

Венчающего типа Подвесного типа Консольного типа

 

 

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых). Одним из главных направлений электроники является полупроводниковая электроника.

Полупроводниковые материалы

К полупроводниковым материалам относят Ge-германий, Si-кремний, Se-селен, GaAs-арсенид галлия и ряд других. По своему удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. Границы между ними весьма условны, так как при достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупроводник, а любой чистый полупроводник при весьма низких температурах подобен диэлектрику.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводниковом материале часть электронов разрывает ковалентные связи, образующие кристаллическое состояние материала, и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне (отсутствие электрона) называют дыркой проводимости, которая в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом. Такой процесс образования пар электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар электрон-дырка. После своего появления дырка проводимости под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает некоторую направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Такая проводимость называется собственной, а полупроводник — собственным полупроводником. Эта проводимость обычно невелика и увеличивается с повышением температуры.

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника. В зависимости от типа примесей, вводимых в полупроводник, их разделяют на два типа:

1. Полупроводники р-типа(positive), обладающие положительной проводимостью, обусловленной наличием избыточных положительных зарядов - дырок.

2. Полупроводники п-типа(negative), обладающие отрицательной проводимостью, обусловленной наличием избыточных электронов.

Под действием внешнего электрического поля эти избыточные заряды приобретают направленное движение, образуя ток, называемый дрейфовым.

Электронно-дырочный р-n переход

Основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный (р-n) переход, образующийся в области контакта полупроводников р- и n-типа (рисунок 22). Свойства этого перехода в основном и определяют принцип действия и функциональные возможности полупроводниковых приборов. В области контакта полупро­водников с различным типом проводимости происходит взаимная диффузия противоположных зарядов и их рекомбинация. Следовательно, в области контакта образуется тонкий слой, в котором отсутствуют свободные заряды.

В пределах р-n перехода возникает электрическое поле с контактной разностью потенциалов j_б, называемой барьерным потенциалом, препятст­вующее дальнейшему взаимному обмену зарядов между полупроводниками.

 

Рис.22. Электронно-дырочный переход

 

Подключение к р-n переходу внешнего источника способно влиять на величину барьерного потенциала j_б и на толщину обедненного слоя, а, следовательно, и на величину тока, протекающего через р-n переход.

При подаче на кристалл р-типа плюса источника, а на n-типа - минуса источника величина j_б уменьшится, так как результирующий потенциал равен j= j_б -j_вн. Это вызовет уменьшение толщины обедненной области, а при |j_вн | > j_б эта область исчезнет, сопротивление р-n перехода резко уменьшится, и через него будет протекать ток, в основном определяемый внешними цепями. В этом случае принято говорить, что р-n переход смещен в прямом направлении.

Если полярность внешнего источника поменять, то обедненная область расширится, и ее сопротивление возрастает. В этом случае через р-n переход будет протекать очень незначительный обратный ток, обусловленный примесями в кристалле полупроводника. При этом включении принято говорить, что р-n переход смещен в обратном направлении.

Вольт-амперная характеристика р-n перехода, характеризующая зависимость величины тока через р-n переход от величины и знака напряжения, приложенного к нему, приведена на рисунке 23.

 

Рис. 23. Вольтамперная характеристика р — n-перехода: U — приложенное напряжение; I - ток через переход; Is — ток насыщения; Unp — напряжение пробоя.

 

Когда величина обратного напряжения достигнет некоторого критического значения, обратный ток через переход резко возрастает. Это явление называется пробоем диода.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой не вызывает разрушение р-n перехода и используется в стабилитронах, а тепловой пробой - необратимое явление, сопровождаемое разрушением, р-n перехода.

Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного /или туннельного/ пробоя от обратного тока через переход.

Условное графическое изображение стабилитрона

 

Максимально-допустимая температура для германиевых диодов составляет 80 . . . 100°С, а для кремниевых - 150 ... 200°С.

 

В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура полупроводниковых приборов с одним р-n переходом, называемых диодами.

Варикапом называется полупроводниковый диод, в котором существенна зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Применяются: - в генераторах (частотные модуляторы); - для электронной настройки частоты, выбора каналов в телевизорах и т.п.

Условное графическое изображение варикапа

Выпрямительные или силовые диоды

 

Выпрямительные (силовые) диоды - это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в однополярный. Для этого диод включается последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки (рисунок 24).

Рис. 24. Схема электрической цепи с выпрямительным диодом

Основой конструкции диода является один р-n переход. Условное обозначение диода сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.

В силу односторонней проводимости диода через нагрузку протекает пульсирующий ток одной полярности (рисунок 25).

Рис. 25. Вольт-амперная характеристика диода и график изменения тока на Rн (рис. 24)

Основными параметрамивыпрями тельных диодов являются:

а) Максимальный выпрямленный ток I_{пр max};

б)Максималъно-допустимое обратное напряжение U_{обр max};

в) Обратный ток, протекающий через диод I_{пр max};

г) Падение напряжения на диоде при прямом включении U_пp.

Выпрямительные диоды делятся на германиевые и кремниевые. В кремниевых диодах обратные токи I_обр а несколько порядков меньше, чем в германиевых, а допустимые обратные напряжения U_обр существенно выше. Однако германиевые диоды обладают меньшим прямым падением напряжения U_пp.

Переключающие диоды - тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя последовательно включенными p-n переходами. Тиристоры с двумя электродами (рис. 26) называют динисторами-это неуправляемые тиристоры, с тремя электродами - тринисторы - это управляемые тиристоры.

 

 

а) б)

Рис.26. Устройства динистора – а) и тринистора – б)

А - анод; К - катод; УЭ - управляющий электрод.

 

На рис. 27 приведены вольтамперные характеристики динистора и тринистора, поясняющие их работу.

 

 

а) б)

 

Рис.27

 

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он ведет себя как обычный диод - закрыт. При прямом включении тиристоров они остаются также закрытыми, пока напряжение между анодом и катодом не достигнет величины Uвкл. После этого тиристоры резко переходят в открытое состояние и ведут себя как обычные силовые диоды в прямом включении, пока ток через них не снизится до величины Iвыкл. Как только это произойдет, диод вновь переходит в закрытое состояние. У динисторов невозможно управлять величиной Uвкл, а у тринисторов величина Uвкл зависит от величины тока управляющего электрода: Uвкл = f (Iуэ) и при достаточно больших токах Iуэ вольтамперная характеристика тринистора вырождается в прямую ветвь характеристики обычного диода. Управление тринистором осуществляется лишь при его отпирании, а затем он становится неуправляемым.

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

Ток включения – Iвкл. Напряжение включения – Uвкл.

Ток выключения – Iвыкл.

Остаточное напряжение – Uост. - падение напряжения на открытом тиристоре.

Обратный ток тиристора – Iобр.

Управляющий ток – Iупр. – тиристора – величина тока, при котором включается тиристор.

Время включения – tвкл. - минимально необходимая длительность импульса включения на УЭ.

Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами.

 

 

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это трехэлементный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и обладающий усилительными свойствами. Транзисторы имеют три области и три электрода: э - эмиттер (на схемах обозначается стрелкой), к – коллектор и б – база. И соответственно различают эмиттерный и коллекторный p-n переходы. Различают две структуры транзисторов:

Биполярные транзисторы с прямой проводимостью или p-n-p типа (рис. 29 а);

Биполярные транзисторы с обратной проводимостью или n-p-n типа (рис.29 б).

а) б)

Рис. 29. Структура и обозначение биполярных транзисторов:

а- с прямой проводимостью; б- с обратной проводимостью.

В реальных конструкциях транзисторов эмиттер имеет большую степень легирования и меньшую площадь. На рис. 29- б) эмиттер с электронной электропроводностью, причём сильной, показан со знаком плюс. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

Рассмотрим принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ (рис. 30).

Рис.30. Принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ

Так как на базе транзистора положительный потенциал по отношению к эмиттеру, то электроны от минуса источника питания, через эмиттер и открытый эмиттерный p-n переход инжектируются в базу, где они диффундируют к коллекторному p-n переходу, являясь не основными носителями в базе. Частично электроны рекомбинируют с основными носителями в области базы – с дырками, создавая ток базы I_б. Так как в транзисторах базу делают тонкой и слабо легированной, то число рекомбинированных зарядов не велико, ток базы мал и основная часть зарядов достигают коллекторного p-n перехода, где попадают под ускоряющее поле потенциала коллектора. Для электронов, как не основных носителей в базе, коллекторный p-n переход открыт и через него они устремляются к коллектору, а затем через R нагрузки к плюсу источника питания, создавая ток коллектора. Очевидно, что Iэ=I_б+Iк.

Так как I _к>>I_б , этавеличина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно b составляет 10 – 300.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы.

Аналогичные процессы, происходят в транзисторе типа p-n-p в схеме c общим эмиттером (ОЭ).

Физическая модель биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.

При включении транзистора в электрическую схему в зависимости от того, какой из его электродов является общим для цепи входного сигнала и выходного сигнала различают:

Схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.31 а). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению и току, так же средними значениями входного и выходного сопротивлений.

Схему включения транзистора с общей базой (ОБ) (рис. 31 б). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, но коэффициент передачи по току меньше единицы. Входное сопротивление мало, а выходное велико.

Схему включения с общим коллектором (ОК) (рис.31 в). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по току, но коэффициент передачи по напряжению меньше единицы. Входное сопротивление велико, а выходное мало.

а) б) в)

Uвх=Uбэ; Uвых=Uкэ Uвх=Uбэ; Uвых=Uкб Uвх=Uбк; Uвых=Uкэ

Iвх=Iб; Iвых=Iк Iвх=Iэ; Iвых=Iб Iвх=Iб; Iвых=Iэ.

Рис. 31. Схемы включения биполярного транзистора: а)-с общим эмиттером; б)-с общей базой; в)-с общим коллектором.

Чаще используется схема с общим эмиттером.

Если в коллекторную цепи включить резистор, то напряжение будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В этом случае наступит режим насыщения: напряжение на колекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так называемый режим насыщения.

Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие транзистора.

В зависимости от направления смещения p-n перехода в транзисторах различают три его режима работы:

1) Режим отсечки (РО) - режим, при котором оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт и через него протекают лишь небольшие тепловые токи обратно смещенных p-n переходов.

2) Режим насыщения (РН) - режим, при котором оба p-n перехода смещены в прямом направлении. Транзистор открыт и через него протекает максимальный ток, определяемый только внешними цепями (U и R).

3) Активный режим (АР) - режим, при котором эмиттерный p-n переход смещен в прямом, а коллекторный - в обратном направлениях. При этом транзистор обладает усилительными свойствами.

АР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Основным является активный режим.

Для обеспечения активного режима работы транзистора между базой и эмиттером необходимо создать отпирающую разность потенциалов Eсм – отпирающее смещение. Для p-n-p типа транзистора это напряжение смещения должно быть отрицательным (рис. 32), а для n-p-n типа – положительным

Рис. 32

Для обеспечения обратного смещения коллекторного p-n перехода на коллектор транзистора должен быть подан потенциал той же полярности, что и на базу транзистора, но большей величины, то есть должно выполняться условие: ׀Eсм׀<׀Eпит׀.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы

Так как сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода очень велико (сотни кОм) для основных носителей, то включение Rн величиной единицы кОм в коллекторную цепь (рис. 30) мало повлияет на общее сопротивление цепи. Тогда очевидно, что, управляя на входе малой мощностью Pвх=Uбэ*Iбэ можно получить пропорциональный цикл в выходной цепи значительно большей мощности: Pвых=Iк*Rн=Iк*Uкэ, Iкэ>>Iб, Uкэ>>Uбэ.

Основные параметры транзистора.

Основные параметры транзистора делятся на предельно-допустимые, усилительные и высокочастотные.

Предельно-допустимые параметры транзистора

Максимально-допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max. Превышение этого напряжения приведет к пробою транзистора.

Максимально-допустимый ток коллектора Iк max. Превышение этого тока вызовет его перегорание.

Предельно-допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Pк max доп. Если мощность, выделяемая на коллекторе в виде тепла, превышает мощность рассеивания, то транзистор перегреется и сгорит.

Полевые транзисторы

В отличие от биполярных транзисторов в полевых транзисторах управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением.
Устройство одного из типов полевых транзисторов показано на рисунке.

Его основу составляет полупроводник n-типа, с противоположной стороны которого методом диффузии образована область р-типа. На границе р- и n-областей образуется p-n-переход, обладающий большим сопротивлением. Слой полупроводника n-типа, лежащий справа от p-n-перехода, называется каналом. Если между р- и n-областями включить источник напряжения Uзи, то p-n-переход окажется включенным в обратном направлении и его толщина увеличится, что приведет к уменьшению толщины канала. Но чем тоньше канал, тем меньше его поперечное сечение и тем больше сопротивление. Значит, изменяя обратное напряжение между р- и n-областями, можно управлять сопротивлением канала. Поэтому р-область называют управляющим электродом, или затвором полевого транзистора.
Если к каналу подключить второй источник напряженияUси, то через канал потечет ток, созданный движением электронов от нижней к верхней части n-области. Участок n-области, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а участок этой области, к которому они движутся,— стоком.
Ток, протекающий через канал полевого транзистора, зависит от его сопротивления, которое, в свою очередь, определяется толщиной канала. Следовательно, при изменении напряжения затвора Uзи изменяется и ток, протекающий через канал.
Транзистор, структура которого представлена на рисунке, называется полевым транзистором с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Если в качестве исходного материала взять полупроводник p-типа, получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа. У такого транзистора затвор будет образован n-областью, а полярности источников питания Uзи и Uси должны быть противоположны.
Основными характеристиками полевого транзистора с управляющим р-n-переходом являются сток-затворные и стоковые (или выходные) характеристики.

При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается, и ток, протекающий через него, становится близким к нулю. Это напряжение затвора называют напряжением отсечкиUзи.отс.
Кроме полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (их еще называют полевыми транзисторами с р-n-затвором) имеются полевые транзисторы с изолированным затвором. Области истока, стока и канала у них создаются в объеме полупроводника, а затвор выполняется в виде тонкой металлической пленки, расположенной на поверхности полупроводника и отделенной от него диэлектрической пленкой. Таким образом, полевой транзистор с изолированным затвором имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник, и их называют МДП-транзисторами. В качестве диэлектрической пленки часто используется пленка из оксида кремния, полученная при окислении поверхности полупроводника. Такие транзисторы называют также МОП-транзисторами.
МДП-, или МОП-транзисторы могут быть с индуцированным и со встроенным каналами.
Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом показана на рисунке.

В нем р-области стока и истока отделены друг от друга n-областью подложки и образуют с ней два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому независимо от полярности напряженияUси один из p-n-переходов всегда оказывается закрытым, т. е. смещенным в обратном направлении, и ток в цепи сток — исток практически равен нулю. Для того чтобы в этой цепи стал протекать ток, необходимо на затвор подать отрицательное напряжение. Под действием электрического поля, возникшего в подложке у поверхности под затвором, свободные электроны начинают двигаться в глубь подложки. При некотором значении отрицательного напряжения Uзи у поверхности подложки дырок будет больше, чем оставшихся электронов. Произойдет инверсия типа электропроводности приповерхностного слоя под затвором, т. е. в приповерхностном слое образуется область с электропроводностью p-типа, называемая каналом, соединяющая сток и исток. Толщина канала зависит от величины напряжения Uзи.Изменяя Uзи, приложенное к затвору, можно регулировать толщину канала, т. е. сопротивление участка между стоком и истоком, и ток в цепи источника Uси .
Сток-затворные и стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа даны на рисунке.

Напряжение затвора, при котором возникает инверсия электропроводности в приповерхностном слое подложки (появляется канал между стоком и истоком), называют пороговым Uзи.пор.. Стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом существуют только при Uзи.> Uзи.пор .
МДП-транзистор со встроенным каналом в отличие от МДП-транзистора с индуцированным каналом имеет тонкий канал, соединяющий области стока и истока при (Uзи = 0). Подавая на затвор напряжение той или иной полярности, можно увеличивать или уменьшать толщину
этого канала, регулируя тем самым силу тока, протекающего через канал (ток стока).

Усилительные свойства полевого транзистора зависят от его малосигнальных параметров, к которым относятся:
крутизнаS, определяемая как отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при постоянном напряжении сток — исток (в мА/В):

внутреннее (дифференциальное) сопротивление переменному току, определяемое как отношение изменения напряжения сток — исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвора (в Ом):

статический коэффициент усиления, рассчитываемый по формуле: μ= Sri

Условно графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке:

Источники вторичного электропитания (выпрямители)

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.

Основой является выпрямитель на одном или нескольких диодах, соединенных по определенной схеме. При построении системы преобразования трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения U₂ при заданном первичном напряжении U₁ (рис. 33) с целью получения требуемой величины постоянного напряжения на выходе.

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Схема однополупериодного выпрямителя

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Наиболее распространены двухполупериодные выпрямители, собираемые по схемам: мостовой и с выводом средней точки трансформатора.

Рис 33. Мостовая схема включения диодов

При указанной на рис. 33 полярности напряжений вторичной обмотки трансформатора диоды VD1 и VD3 открыты, а диоды VD4 и VD2 закрыты. При поступлении напряжения u₁ отрицательной полярности полярность напряжений на вторичной обмотке становится обратной. В проводящем состоянии будут находиться диоды VD4 и VD2, а диоды VD1 и VD3 будут закрыты.

Такой выпрямитель является двухполупериодным, у него пульсация будет меньше, чем в однополупериодном. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(ωt) (рис. 34 б) однополярных полуволн напряжения U_d(ωt) (рис. 34 в).

Рис. 34.

Напряжение u_d(ωt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Вместе с тем имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора (рис. 35). Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора здесь также определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрямителя.

Рис. 35. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки обмотки трансформатора

Схема выпрямителя показана на рис. 35. Необходимым элементом выпрямителя является силовой трансформатор Тр с двумя вторичными обмотками n=ω₁/ω_2-1=ω₁/ω_2-2 . Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 180°. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов Д₁, Д₂ . Выходное напряжение U_d снимается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих диодов. Принцип действия схемы рассмотрим для случая чисто активной нагрузки R_Н. При поступлении полуволны напряжения u₁ положительной полярности на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u_2-1 и u_2-2 с полярностью относительно нулевой точки, показанной на рис. 35 без скобок. К аноду диода Д₁ относительно нулевой точки прикладывается напряжение положительной полярности, а к аноду диода Д₂ - отрицательной. При указанной полярности напряжений на анодах диод Д₁ на интервале 0 —π открыт, а диод Д₂ закрыт. Поскольку в открытом состоянии падение напряжения на диоде мало, практически все напряжение u_2-1 прикладывается к нагрузке R_H, создавая на ней напряжение u_d. На данном интервале анодный ток диода равен току нагрузки i_a1=i_d=u_2-1/R_H. В конце интервала 0—π напряжения и токи в схеме достигают нулевых значений.

При поступлении напряжения u₁ отрицательной полярности полярность напряжений на вторичных обмотках становится обратной. В проводящем состоянии находится диод Д₂ , а диод Д₁ закрыт. К нагрузке R_H прикладывается напряжение u_2-2 определяющее напряжение u_d той же полярности, что и на предшествующем интервале. Теперь токи в схеме определяются полуволной напряжения положительной полярности u_2-2:i_d=i_a2=u_2-2/R_H. В последующем процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то диод Д₁ ,то диод Д₂.

Фильтрацию выпрямленного напряжения осуществляют обычно путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих ф и л ь т р о в. Виды выходных сигналов однополупериодного выпрямителя без фильтра и с простейшим емкостным фильтром приведены на рисунке ниже.

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов — индуктивностей (катушку с сердечником называют дроссель) и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот—для постоянного тока. Указанные свойства этих элементов используют при построении простейших сглаживающих фильтров: сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор - параллельно ей. Виды сглаживающих фильтров показаны на рис. 36. На рис. 36, а, б представлены схемы простейших одноэлементных сглаживающих фильтров, выполненных соответственно на основе дросселя L_ф и конденсатора С_ф; на рис. 3.28, в - схема однозвенного Г-образного LC-фильтра, а на рис. 3.28, г — схема двухзвенного сглаживающего фильтра с использованием двух Г-образных LС-фильтров. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций.

Рис. 36. Схемы сглаживающих фильтров

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам рис. 36 а, в, г, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный х а р а к т е р, а для сглаживающего фильтра, выполненного по схеме рис. 36 б, — активно-емкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.

Электронные усилители

Усилитель – это устройство, преобразующее маломощный входной сигнал в подобный, но более мощный выходной.

Учитывая закон сохранения энергии, усилитель рассматривают как многополюсник, в котором помимо входной и выходной цепей есть цепь для поступления энергии от источника питания (рис. 37).

Рис. 37. Структурная схема усилителя: 1 – входная цепь; 2 – предварительный усилитель; 3 – промежуточные каскады; 4 – оконечный каскад; 5 – источник питания.

Входная цепь предназначена для согласования с источником сигнала, как по амплитуде, так и по сопротивлению. Как правило, требуется обеспечение большого входного сопротивления, что обеспечивается предварительным усилительным каскадом. Для получения требуемого коэффициента усиления может потребоваться многокаскадный усилитель. Основное усиление сигнала обеспечивается в промежуточных каскадах. Оконечный каскад – усилитель мощности. Он обеспечивает согласование усилителя с нагрузкой. Для обеспечения максимальной выходной мощности требуется выполнение равенства Rвых=Rнагр (режим согласования).

В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис. 38:

Рис 38. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Видно, что схема стала очень сложной. Однако главное, что здесь есть – это резистор

R_к, на котором происходит падение напряжения от тока, проходящего через транзистор, резистор, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц килоом до мегома (чем больше этот резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.

Прежде всего R_э необходимо для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току. С_э – конденсатор, который шунтирует этот резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.

С_р – разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.

R_б1 – важный резистор, управляющий работой транзистора, служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от величины R_к .

R_б2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.

R_н – сопротивление нагрузки, лучше, если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.

U_вх – сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей – резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора R_б1 и R_б2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. Поэтому учтём только это входное сопротивление.

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению ; 2) по току ;

3) по мощности .

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать
К_u = K_u1·K_u2…K_uN.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

К_u = K_u1 + K_u2 +…+ K_uN .

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K_r:

где U₁, U₂, U₃ – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5, б) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя:

Рис. 2.5 Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что f = f_в - f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

Резистивно-емкостной усилительный каскад.

Усилительные каскады этого типа (рис. 39) получили наибольшее распространение, так как имеют простую схемную реализацию при малых габаритах элементов и обладают хорошими характеристиками.

Рис. 39. Резистивно-емкостной усилительный каскад

Назначение элементов схемы.

Разделительный конденсатор на входе – Ср1 предназначен для разделения усилительного каскада с источником сигнала по постоянному току, а полученный переменный сигнал он легко пропускает.

Аналогичную роль играет разделительный конденсатор–С р2 на выходе – он разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Величина этих конденсаторов влияет на величину fн усилителя, так как с понижением их сопротивление сигналу растет, и они хуже его передают по цепи усиления. Для понижения fн нужно увеличивать Ср.

Rн – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Оно задает положение (вместе с Rэ) нагрузочной прямой (зависимость Iк от Uкэ при наличии Rн в цепи коллекторного тока) на семействе выходных характеристик.

Цифровые устройства

Алгебра логики (алгебра Буля)

Цифровые устройства построены на принципе многократного повторения относительно простых базовых схем. Связи между этими схемами строятся на основе чисто формальных методов. Инструментом такого построения служит булева алгебра (алгебра логики).

Логическая переменная Х (или набор переменных – Х1,Х2,….Хn) так же как и функции этой переменной – У, то есть У=f(Х1,Х2,….Хn), принимают только два возможных значения:

- значение логического нуля (низкий уровень (отсутствие) сигнала);

- значение логической единицы (высокий уровень сигнала).

Таким образом алгебра логики изучает связь между переменными, принимающими только значения "1" и "0".

Основные понятия алгебры логики

Закон исключенного третьего

Если х ≠ 1, то х = 0, если х ≠ 0, то х = 1.

Существуют три основные операции между логическими переменными:

1) Конъюнкция (операция "и", логическое умножение). Конъюнкция нескольких переменных равна 1 лишь тогда, когда все переменные равны 1. Конъюнкция обозначается в виде произведения у = х₁·х₂, или у = х₁х₂, или у = х₁Λх₂. Обозначение элемента в схеме приведено на рис. 40.

Рис. 40. Конъюнктор

Таблица соответствия для конъюнкции

Таблица 2 Конъюнкция

2) Дизъюнкция (операция "или", логическое сложение). Дизъюнкция нескольких переменных равна 1, если хотя бы одна из переменных равна 1. Дизъюнкция обозначается в виде суммы: у = х₁+х₂, или у = х₁Vх₂. Обозначение элемента в схеме приведено на рис.42.

Рис.42. Дизъюнктор

Таблица соответствия для дизъюнкции

Таблица 3 Дизъюнкция

3) Инверсия (операция "не", логическое отрицание). Обозначение элемента в схеме приведено на рис 43.

Рис.43

Таблица соответствия для инверсии

х	у=

Возможны комбинированные операции. Примеры элементов, выполняющих такие действия приведены на рис.44.

Рис. 44 Комбинированные логические элементы

Система обозначения интегральных схем

В технической документации применяют графическое и буквенное обозначение ИС.

Обозначение ИС на электрических принципиальных схемах

Буквенные обозначения на электрических принципиальных схемах: DD — цифровая ИС; DA — аналоговая ИС.

Функции элемента указываются символами, например:

1 — функция “ИЛИ”; & — функция “И”;

Т — триггер; > — операционный усилитель;

Х:Y — делитель; >10⁴ — усилитель с коэффициентом усиления 10000;

A/# — аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

Базовые логические элементы

Базовыми называют логические элементы, выполняющие основные логические функции. Из них собирают устройства, выполняющие сколь угодно сложные логические функции.

Существует множество базовых логических элементов. Рассмотрим важнейшие из них.

1. Резисторно-транзисторный ЛЭ (РТЛ).

Простейшим элементом, выполняющим функцию отрицания НЕ, является транзисторный ключ.

Рис. 45. Транзисторный ключ

Транзисторы в интегральных схемах обычно изображают без окружности (для экономии места).

Более сложная операция ИЛИ-НЕ реализует цепь из М транзисторных ключей, работающих на общую нагрузку

Рис. 43. Совокупность ключей с общей нагрузкой

Если все транзисторы закрыты, то U_вых = U¹_вых >> Е_к. Чтобы получить U_вых = U⁰_вых > 0 необходимо открыть хотя бы один транзистор, т.е. U_вх = U¹_вх (до насыщения!).

Недостаток РТЛ - диссипативные резисторы занимают много места на подложке и снижают степень интеграции ИС. Применяются редко.

Симметричный триггер на транзисторах

Состоит из двух транзисторных ключей, охваченных перекрестной положительной обратной связью (ОС).

Триггер имеет два устойчивых состояния, в каждом из которых один из транзисторов открыт и насыщен, а второй - закрыт. На выходе (коллекторе) закрытого транзистора будем иметь входной уровень напряжения, соответствующий логической единице, а на коллекторе открытого транзистора, будем иметь нулевой уровень, соответствующий логическому нулю. Транзисторы всегда находятся в противоположном состоянии за счет действия положительной обратной связи. При этом закрытый транзистор, своим высоким уровнем напряжения на коллекторе, поддерживает второй транзистор в открытом состоянии.

Рис. 45. Симметричный триггер на транзисторах.

Так допустим, если транзистор V2 закрыт, то: , а ().

Высокое напряжение с коллектора второго транзистора, через сопротивление , перекрестной положительной ОС, будет действовать на базу первого транзистора и открывать его. (; s - степень насыщения). Т.о. закрытое состояние второго транзистора обеспечивает открытое состояние первого транзистора. Следовательно, , .

Напряжение , близкое к нулю, через сопротивление будет приложено к базе второго транзистора. Если транзисторы кремниевые, то нулевого напряжения на базе достаточно для закрывания второго транзистора. Т.е. открытое состояние первого транзистора поддерживает закрытое состояние второго. Транзисторы поддерживают друг- друга в своих противоположных состояниях.

Такое состояние триггера является устойчивым. Второе устойчивое состояние когда V2 открыт, а V1 закрыт.

триггер симметричный, т.е. параметры левого и правого плеча одинаковы.

Параметры схемы триггера должны быть рассчитаны так, чтобы в каждом из этих состояний обеспечивалось гарантированное открытие одного из транзисторов, необходимая степень его насыщения и гарантированное закрывание второго транзистора.

Мультивибраторы на транзисторах

Мультивибратор на транзисторах состоит из двух транзисторных ключей, охваченных перекрестной ОС, но через мультивибратор имеет два временно устойчивых /квазиустойчивых/ состояния. В первом: V1 открыт и насыщен, а V2 закрыт и в режиме отсечки. Во втором: V2 открыт и насыщен, а V1 закрыт и в режиме отсечки. Переход мультивибратора из одного состояния в другое происходит через определенное время, определяемое процессами перезарядки базовых емкостей. Открытое и насыщенное состояние одного из транзисторов обеспечивается подключением базы к +Е_П через R_Б1 и R_Б2.

Рис. 45. Мультивибратор на транзисторах

Операционные усилители

Термин "операционный усилитель" (ОУ) впервые использован в вычислительной технике, где он отождествляется с понятием "решающий усилитель". С этими терминами неизменно связывались математические операции: суммирования, дифференцирования, интегрирования, которые усилитель мог выполнять за счет введения отрицательной обратной связи (ООС) определенного вида. В настоящее время смысл этого термина существенно расширился и несколько изменился. Под операционным усилителем принято понимать универсальный электронный усилитель, который может выполнять самые различные функции и позволяет без нарушения его работоспособности вводить ОС различного типа.

Рис. 46.

Обозначение ОУ в виде треугольника, вершина которого показывает направление передачи сигнала. В технической документации ОУ обозначают прямоугольником, у которого инвертирующий вход обозначают кружком (рис. 46)

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала.

Свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, а свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами цепи ОС. ОУ выполняют по схеме усилителей постоянного тока с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе. ОУ характеризуется большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Электрические измерения

Электрические методы измерения применяются для измерения электрических и неэлектрических величин. К электрическим величинам относят: силу тока, напряжение, мощность и т.п. К неэлектрическим - температуру, влажность, перемещение и т.п.

Погрешности измерений

Любой измерительный прибор из-за несовершенства конструкции обладает погрешностью, т.е. действительное значение измеряемой величины А_Д отличается от измеренного А_И: А_Д¹А_И.

Величина, равная разности измеренного и действительного значений, называется абсолютной погрешностью измерения и определяется по формуле:

.

Абсолютная погрешность характеризует точность выполненного измерения, но не характеризует точность самого измерительного прибора. Например, если абсолютная погрешность DА измерения силы тока амперметром равна 1 А, то для прибора с пределом измерения 100 А эта величина незначительна, а для прибора с пределом 10 А уже является большой. Таким образом, в своих пределах измерения первый прибор точнее второго.

Для характеристики точности измерительных приборов независимо от их пределов измерения вводится относительная приведенная погрешность измерительного прибора. Величина относительной приведенной погрешности, выраженная в процентах определяет класс точности измерительного прибора:

,

где А_Н - номинальное значение шкалы прибора.

Относительная погрешность не зависит от величины измеряемых значений и позволяет оценить точность прибора в любом диапазоне.

Выделяют (в соответствии с ГОСТ) восемь основных классов точности: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. Например, класс точности 1,0 означает, что максимально возможная абсолютная погрешность измерения данным прибором не превышает 1% от его шкалы. Поэтому результат измерения амперметром с пределами шкалы 100 А и классом точности 1,0 силы тока в 15 А может быть записан I=15±1 А. Класс точности указывается на шкале измерительного прибора.

Чем выше класс точности, тем точнее и сложнее (дороже) прибор. Приборы классов 0,05; 0,1; 0,2 применяются для научных исследований, приборы классов 0,5; 1,0; 1,5 - для лабораторных измерений, приборы классов 2,5; 4,0 - щитовые приборы - для грубых измерений.

Методы измерений

По способу получения результата различают прямые измерения и косвенные.

Прямыми - называются такие измерения, в которых значение измеряемой величины получают непосредственно по показаниям прибора. При этом шкала прибора проградуирована в единицах измеряемой величины.

Косвенные измерения получают посредством вспомогательных измерений (например, измерение мощности методом амперметра и вольтметра).

По методу измерений различают:

− метод непосредственной оценки;

− метод сравнения, при котором измеряемая величина сравнивается с эталоном.

Классификация электроизмерительных приборов

По принципу действия измерительного механизма приборы непосредственной оценки разделяют на следующие классы:

− приборы магнитоэлектрической системы;

− приборы электромагнитной системы;

− приборы электродинамической системы;

− приборы индукционной системы;

− и т.д.

Приборы магнитоэлектрической системы

Применяются для измерения силы тока (амперметры) и напряжения (вольтметры) в цепях постоянного тока.

Неподвижный магнитопровод, выполненный в виде постоянного магнита;

Шкала;

Стрелка;

Рамка с током, соединенная со стрелкой;

Спиральная противодействующая пружина, возвращающая стрелку в положение ноль;

Выводы.

Прибор выводами 6 подключается в измерительную цепь. В рамке 4 возникает ток. Одним из выводов рамки является спиральная пружина 5. По закону Ампера на рамку с током со стороны магнитного поля созданного магнитопроводом 1 будет действовать сила:

,

где B - индукция магнитного поля полюсов;

I - сила тока в рамке;

a - угол поворота рамки со стрелкой.

Угол поворота стрелки пропорционален силе тока , поэтому шкала таких приборов равномерная.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую точность и чувствительность, сравнительно невысокую стоимость.

Их маркировка на шкале начинается с буквы М (например, М367), указывается также знак подковообразного магнита , что указывает на их принадлежность к классу магнитоэлектрических приборов.

Приборы электромагнитной системы

Эти приборы применяются для измерения как постоянных, так и переменных токов и напряжений.

Пружина;

Подвижный сердечник;

Неподвижная катушка;

Шкала;