На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. Терморезисторы находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах, автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для размагничивания кинескопа.
Самые первые устройства, где применялись терморезисторы – это датчики для измерения или регулирования температуры
Терморезисторы широко используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После соответствующей модификации их можно применять в электронных устройствах задержки с достаточно широким интервалом времен задержки, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности.
Итак, терморезисторы находят применение во многих областях. Практически ни одна сложная печатная плата не обходится без терморезисторов. Они используются в температурных датчиках, термометрах, практически в любой, связанной с температурными режимами, электронике. В противопожарной технике существуют стандартные температурные датчики. Подобный датчик содержит два терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате в белом поликарбонатном корпусе. Один выведен наружу — открытый терморезистор, он быстро реагирует на изменение температуры воздуха. Другой терморезистор находится в корпусе и реагирует на изменение температуры медленнее. При стабильных условиях оба терморезистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого терморезистора. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал тревоги. В дальнейшем такой принцип действия будет называться “реакцией на скорость повышения температуры”. Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Однако, эта разница становится выше, если соединить последовательно с закрытым терморезистором резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает порог, возникает режим тревоги. Датчик формирует режим «Тревога» при достижении внешней температуры 60°С вне зависимости от скорости нарастания температуры.
Конечно же, применение терморезисторов в качестве датчиков температуры имеет не только плюсы, но и свои минусы. Так, например, это инерционность, обусловленная постоянной времени τ, плохая стабильность в определенных условиях и т.д.
В примерах терморезисторов были указаны цели использования некоторых терморезисторов, среди них и температурная компенсация электрических цепей в широком диапазоне температур – еще одна область применения терморезисторов.
Если терморезистор включить в цепь с линейным резистором, то характерным для этой цепи будет резкое, скачкообразное нарастание или убывание тока, вызванное изменением сопротивления терморезистора. Это явление получило название релейного эффекта, который используется в температурной сигнализации, схемах тепловой защиты и для автоматического регулирования температуры.
Варисторы – приборы, работа которых основана на эффекте уменьшения сопротивления при увеличении приложенного напряжения.
Рисунок 5.4 – Обозначение варисторов на схемах.
Основными параметрами варистора являются:
1) Статическое сопротивление: ;
2) Динамическое сопротивление: ;
3) Коэффициент нелинейности: ;
4) Температурный коэффициент тока:
ТКI = ;
5) Допустимая мощность рассеивания.
Варисторы используются для защиты приборов от перенапряжений; стабилизации напряжения и тока.
Тема 5.2 Транзисторы.
I Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и с тремя или более выводами, служащий для усиления мощности.
Классифицируются
по мощности:
· Малой (до 0,25 Вт)
· Большой (от 0,25 Вт)
по частоте:
· низкой (до 5 МГц)
· высокой (от 5 МГц)
Рисунок 5.5 – Условное обозначение биполярных транзисторов: а) транзистор типа p-n-p;
б) транзистор типа n-p-n.
Система обозначений состоит семи элементов:
Первый элемент – буквы Г, К, А или цифры 1, 2, 3, обозначающие исходный материал соответственно – германий, кремний или соединение галлия.
Второй элемент – буква Т.
Третий – цифра, определяющая основное назначение и качественные свойства транзистора.
Четвертый, пятый и шестой элементы – трехзначное число от 101 до 999, обозначающее порядковый номер разработки.
Седьмой элемент – параметрическая группа в технологическом типе транзистора, обозначается буквами от А до Я, кроме букв О, З, Ч.
· время включения и выключения биполярного транзистора tВКЛ и tВЫКЛ.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:
1) Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведённое к эмиттерному переходу, а токи в этих цепях практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы может оказаться намного больше, чем во входной цепи транзистора. Эта гипотеза лежит в основе усилительных свойств транзистора.
2) Режим отсечки. К обоим переходам подводится обратное напряжение, поэтому через них проходит лишь незначительная часть тока и транзистор оказывается закрытым.
3) Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямыми напряжениями. Ток выходной цепи максимален и не регулируется входным током, т.е. транзистор находится в открытом состоянии.
4) Инверсный режим. Это режим не соответствует нормальным условиям эксплуатации. К эмиттеру подают обратное напряжение и он выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера, к нему подают прямое напряжение.
Различают три схемы включения транзисторов (рисунок 5.6): с общей базой; с общим эмиттером; с общим коллектором.
Рисунок 5.6 – Схемы включения транзисторов: а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором.
Для схемы с общей базой входной ток: IВХ = IЭ.
Выходным током в этой схеме является ток коллектора: IВЫХ = IК.
Независимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом передачи тока:
, при Е2=const;
Схема с общей базой имеет малое входное сопротивление (десятки - единицы Ом) для переменной составляющей тока сигнала. Фактически оно равно rЭ – сопротивление эмиттерного перехода, включённого в прямом направлении:
.
Это является недостатком, т.к. в много каскадных схемах оно оказывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего каскада и резко снижает усиление этого каскада по напряжению и мощности.
В схеме (рисунок 5.6 б) входным током является малый по величине ток базы.
Достоинства этой схемы является:
· возможность питания транзистора от одного источника напряжения;
· большое входное сопротивление.
Недостаткомявляется низкая температурная стабильность схемы с общим эмиттером, чем схемы с общей базой.
В схеме с общим коллектором входным током является ток базы. Хотя входное сопротивление сравнительно большое эта схема практически не позволяет получить усиление по напряжению и применяется главным образом для согласования сопротивлений между отдельными каскадами многокаскадного усилителя.
На работу транзисторов сильно влияет температура: при нагреве до 60ºС rК падает вдвое; rБ – на 15-20%, а rЭ – возрастает на 15-20%. Часто для работы при повышенных температурах применяют кремневые транзисторы (125-150ºС) и карбид кремния (600ºC).
На частотные свойства большое влияние оказывают ёмкости p-n переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, и шунтирующее действие емкостей возрастает. Для расширения частотного диапазона транзисторов необходимо уменьшать толщину слоя базы и коллекторную ёмкость. При этом транзистор может работать на f = 10 … 100 МГц.
II Полевой транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда, протекающий через канал, управляется электрическим полем.
Их делят на две группы:
а) полевые транзисторы с p-n переходом (канальные или униполярные транзисторы);
б) полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП – или МОП – транзисторы).
По мощности делят на:
- малой – P ≤ 0,3 Вт;
- средний – 0,3 Вт < P < 1,5 Вт;
- большой – P > 1,5 Вт.
По частоте:
- низкой – f < 3 МГц;
- средний – 3 МГц < f < 30 МГц;
- высокой – f > 30 МГц.
Система обозначений полевых транзисторов аналогична системе обозначений биполярных транзисторов. Отличие, что второй элемент – буква П.
Рисунок 5.7 – Графические обозначения полевых транзисторов:
а) – полевой транзистор с p-n – затвором и каналом p – типа;
б) – МДП–транзистор.
а) б)
Основными параметрами являются:
- крутизна характеристики:
S = , при Uс = const;
- напряжение отсечки Uзи отс.;
- входное сопротивление Rвх.:
Rвх = ;
- выходное сопротивление:
Rвых = , при Uзи = const.
Достоинствами полевых транзисторов являются:
1) малый уровень собственных шумов;
2) высокая устойчивость против температурных воздействий;
3) высокое входное сопротивление.
Полевые транзисторы используют в схемах усилителей, генераторов, в цифровых и логических схемах.
Тема 5.3 Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n-переход и двумя выводами.
Полупроводниковые диоды классифицируются:
- по исходному материалу:
- германиевые;
- кремниевые;
- на основе соединений галлия;
- в зависимости от способа получения p-n-переходов:
- точечные;
- плоскостные;
- сплавные;
- диффузионные и эпитаксиальные;
- по функциональному назначениюп.п. диоды бывают:
- выпрямительные;
- стабилитроны;
- варикапы;
- туннельные;
- импульсные;
- диоды с переходом Шотки;
- диоды Ганна;
- фотодиоды;
- светодиоды.
Кроме одиночных диодов в промышленности выпускаются диодные сборки, столбы и блоки, состоящие из специально подобранных диодов, помещённых в один корпус.
;
;
;
;
, при Е2=const;
.
, при Uс = const;
;
, при Uзи = const.