Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 29 страниц)

Каковы принцип действия и свойства вакуумного диода?

В вакуумном диоде источником свободных электронов является катод, выполненный из металла (либо окислов металлов) и накаливаемый (косвенно или непосредственно) от внешнего источника напряжения накала (термоэмиссия), которым обычно является источник переменного тока. Свободно выходящие из катода электроны движутся в вакууме к другому электроду лампы, называемому анодом[8]8
  Движение электронов к аноду происходит в результате действия электрического поля в промежутке анод – катод, возникающего вследствие дополнительного источника постоянного напряжения.


[Закрыть] и подключенному к положительному полюсу источника анодного напряжения (рис. 3.14, а). Через диод от анода к катоду течет анодный ток[9]9
  Принято, что направление тока противоположно направлению движения электронов.


[Закрыть]. Вблизи катода возникает электронное облако, называемое пространственным зарядом, защищающее катод от бомбардировки ионами, возникающими в неидеальном вакууме лампы.

Анодный ток зависит от потенциала на аноде относительно катода. При нулевом и даже небольшом отрицательном анодном напряжении (рис. 3.14, б) существует небольшой ток за счет собственной скорости электронов, которые попадают на анод несмотря па отсутствие ускоряющего поля. В интервале небольших положительных напряжений анодный ток возрастает при одновременном уменьшении пространственного заряда. При дальнейшем росте анодного напряжения наступает все более сильное выхватывание электронов из облака пространственного заряда вплоть до полной ликвидации этого заряда. Дальнейшее увеличение анодного тока при этом ограничивается эмиссионными свойствами катода, и наступает режим насыщения тока. Вольт-амперная характеристика диода имеет нелинейный характер.

Вакуумные диоды обладают некоторой паразитной междуэлектродной емкостью (обычно больше 3 пФ) и относительно высоким сопротивлением в проводящем направлены.

Вакуумные диоды рассчитаны на максимальные обратные напряжения от нескольких вольт до нескольких десятков тысяч вольт при токах в прямом направлении, доходящих до нескольких ампер.

В большинстве случаев вакуумные диоды были заменены полупроводниковыми диодами, особенно в схемах детекторов и выпрямителей малой и средней мощности.

Рис. 3.14. Схема включения (а) и характеристики (б) вакуумного диода:

_{1 – начальный ток; 2 – область пространственного заряда; 3 – вольфрамовый катод; 4 – оксидный катод}

Что такое газоразрядные диоды?

Это диоды, наполненные разреженным благородным газом или парами ртути, в которых носителями зарядов являются как электроны, так и положительные ионы. Существуют газоразрядные лампы с холодным катодом, называемые лампами тлеющего разряда, и газоразрядные лампы с накаливаемым катодом, называемые газотронами. В диодах с холодным катодом существенную роль играют свободные электроны и положительные ионы, находящиеся в газе, в частности, в результате воздействия световой энергии и внутренней тепловой энергии частиц, газа. При достаточно высоком анодном потенциале ускоренные свободные электроны вызывают ионизацию газа, а положительные ионы бомбардируют катод и благодаря своей большой массе, а также высокой кинетической энергии вызывают вторичную эмиссию с поверхности катода.

Газотроны чаще всего применяют в качестве выпрямительных диодов для больших токов (до 100 А), а также в схемах регулировки напряжения, тогда как лампы тлеющего разряда применяют для стабилизации напряжения, для чего используется плоская часть вольт-амперной характеристики, соответствующая области ионизации газа (рис. 3.15). Кроме того, газотроны применяют в качестве неоновых ламп, цвет свечения которых зависит от наполняющего лампу газа, например неон дает красное свечение, гелий – желтое, пары ртути с неоном и аргоном – голубое. Существуют также лампы тлеющего разряда, имеющие 10 катодов в виде цифр от 0 до 9, используемые в цифровых индикаторах счетных устройств.

Рис. 3.15. Характеристика диода с тлеющим разрядом

Где применяется диод?

Диод является элементом, очень часто используемым в электронных устройствах. В интегральных схемах применяют только диоды с р-n переходом. Диод в схемах играет роль вентиля. Параметры реального диода отличаются от параметров идеального. Наиболее нежелательные явления – обратный ток, существование некоторого сопротивления в прямом направлении, паразитная емкость, а также нелинейность отдельного участка вольт-амперной характеристики. При применениях диода в качестве переключателя в диапазоне высоких частот или в схемах с импульсами с крутыми фронтом и срезом решающее значение имеют динамические свойства.

Диоды используют главным образом в схемах ограничения, выпрямления, детектирования, а также в вентильных схемах в цифровой технике. В каждом из этих случаях берут диоды, удовлетворяющие определенным требованиям, если речь идет о динамических свойствах, внутреннем сопротивлении, емкости, токовой эффективности и электрической прочности.

Каковы динамические свойства полупроводникового диода?

Динамические свойства диода определяются при работе в режиме переключения, т. е. при переходе из состояния включения (прямое направление) в состояние выключения (обратное направление) либо наоборот. Идеальный диод практически не обладает инерционностью при переключении, тогда как реальный полупроводниковый диод характеризуется ограниченной скоростью переключения (рис. 3.16), являющейся следствием явлений, происходящих в запирающем слое. Эти явления исключают возможность очень быстрого изменения концентрации носителей.

Одной из причин такого состояния является наличие емкости перехода, называемой также переходной емкостью. Переход действует на принципе конденсатора, к которому следует подвести (либо удалить) заряд с целью формирования области барьера. Для этого всегда требуется некоторое время. Переходная емкость зависит от приложенного напряжения. Для быстродействующих плоскостных диодов она равна 0,5–2 пФ.

Другой причиной ограниченной скорости переключения является накопление заряда в диоде, пропорциональное току в прямом направлении. Действие заряда определяется с помощью диффузионной емкости. Влияние заряда наглядно видно при переключении из состояния проводимости в состояние запирания. Лучшими динамическими свойствами обладают точечные диоды, но одновременно они имеют достаточно высокое сопротивление в прямом направлении, в результате чего на них возникает определенное падение напряжения в проводящем состоянии. Наилучшими свойствами обладают диоды с плоским переходом металл – полупроводник, у которых благодаря малому накопленному заряду в переходе время переключения составляет менее 0,1 не при сопротивлении меньше 1 Ом.

Работу полупроводникового элемента в режиме переключения более детально рассмотрим на примере транзистора.

Рис. 3.16. Переходные процессы в диоде при переключении из состояния проводимости в состояние запирания (а) и наоборот (б):

_{1 – открытое; 2 – закрытое состояние}

Как используется диод для ограничения сигнала?

В простой схеме ограничителя последовательного типа (рис. 3.17) диод проводит, когда на аноде присутствует положительное относительно катода напряжение (проводящее направление), – в течение положительного (верхнего) полупериода входного напряжения и не проводит, когда напряжение на аноде отрицательно (обратное направление), – в течение отрицательного полупериода входного напряжения.

Рис. 3.17. Простой последовательный ограничитель снизу

Выходное напряжение на нагрузочном резисторе состоит только из верхних полупериодов синусоиды. Если направление включения диода изменить на обратное, то на выходе появляются только нижние полупериоды входного напряжения. Уровень ограничения определяет «нулевая линия»[10]10
  Точнее, если учесть напряжение на диоде, линия отсечки проходит на другом уровне, чем нулевая линия.


[Закрыть]. Возможно также ограничение и на другом уровне. Изменение уровня ограничениядостигается путем добавления источника постоянного напряжения, смещающего диод в направлении проводимости либо в обратном направлении. В схеме на рис. 3.18 происходит частичное ограничение верхней половины синусоиды. Устройства, ограничивающие «верхние» половины синусоид, чаще всего называются односторонними ограничителями. Существуют также двусторонние ограничители.

Рис. 3.18. Последовательный ограничитель сверху со смещением

Как используется диод для выпрямления переменного напряжения?

Существует много схем выпрямителей на диодах. Диод может работать как выпрямитель, например в схеме, изображенной на рис. 3.17. Если выходное напряжение, состоящее из полупериодов входного переменного напряжения той же самой полярности, подать затем на сглаживающий фильтр, то на выходе фильтра получают сглаженное постоянное напряжение, т. е. напряжение, которое является средним значением колебания на выходе выпрямителя. Таким образом, диод участвует в процессе преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот процесс называется выпрямлением.

Более подробно выпрямители рассматриваются в гл. 6.

Как используются диоды для детектирования сигналов?

К диоду, работающему в режиме детектирования (демодуляции), подводится сигнал высокой частоты, промодулированный по амплитуде, частота которого значительно ниже (рис. 3.19). Это может быть электрический сигнал, соответствующий звуковым сигналам. В этом случае задача диода заключается в ограничении одной половины модулированного сигнала, что позволяет затем с помощью фильтра выделить модулирующее напряжение, т. е. сигнал низкой частоты. Фильтр RС-типа не пропускает, а исключает высокочастотные составляющие и обеспечивает появление на выходе только составляющих модулирующего сигнала. В этом случае диод работает так же, как переключающая схема – вентиль. Вопросы детектирования более детально обсуждаются в гл. 11.

Рис. 3.19. Схема диодного детектора (а) и формы входного (б) и выходного напряжений без емкости (в) и с емкостью (г)

Что такое диодные вентили?

Это схемы с диодами, часто встречающиеся в цифровой технике. В них диоды используются как элементы, отпирающие либо запирающие путь для сигнала со входа на выход. Разработано много различных схем вентилей. Более подробно они будут рассмотрены в гл. 12.

Глава 4
ТРАНЗИСТОРЫ И ТРИОДЫ. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ

Что такое транзистор?

Это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который обладает свойством усиления электрического сигнала. По принципу работы транзисторы делятся на биполярные и униполярные или полевые, а по технологии на плоскостные (с р-n переходом) и точечные. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения технологии также подразделяются на дрейфовые, диффузионные, планарные, сплавные, меза и др. С точки зрения используемого полупроводникового материала транзисторы делятся на германиевые, кремниевые и арсенидо-галлиевые.

Транзистор является активным элементом, который в большинстве электронных схем полностью заменяет ранее используемые вакуумные приборы (электронные лампы). По сравнению с электронной лампой транзистор обладает следующими преимуществами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность, высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора (по сравнению с лампами) – ограниченные мощность и рабочее напряжение, большая чувствительность к изменениям температуры и меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к коротким замыканиям и искрениям.

Что такое биполярный плоскостной транзистор?

Это транзистор, образуемый при соединении двух переходов, т. с. состоящий из трех областей; р-n-р или n-р-n. В таком транзисторе существует два вида носителей: основные и неосновные, отсюда название – биполярный. Электроды транзистора имеют следующие названия: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К), причем эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а база, разделяющая эмиттер и коллектор, – противоположный. Транзисторы типа n-р-n и р-n-р, а также их графическое обозначение представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структуры транзисторов

_{а – n-р-n; б – р-n-р и их графические изображения}

Как работает биполярный транзистор?

В типичных условиях работы транзистор подключен к источнику постоянного тока таким способом, что переход эмиттер – база (эмиттерный переход) смещен в проводящем направлении, а переход коллектор – база (коллекторный переход) в обратном направлении (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Прохождение носителей зарядов в биполярном транзисторе

При таком смещении в случае р-n-р транзистора из области эмиттера в область базы переходят дырки, являющиеся основными носителями области эмиттера p-типа. Большинство дырок диффундирует через базу и достигает коллектора. Часть дырок исчезает в базе вследствие рекомбинации (повторного соединения) с основными носителями базы, т. е. электронами. В эмиттере также происходит рекомбинация дырок с электронами, проходящими из базы к эмиттеру. Электронный ток базы в общем значительно меньше дырочного тока эмиттера, поскольку база тонкая и легирована значительно меньше эмиттера. Ток коллектора создает дырки, приходящие от эмиттера, его значение (обычно несколько миллиампер) зависит непосредственно от напряжения смещения на переходе эмиттер – база (обычно около 0,2 В) и мало зависит от напряжения, смещающего в обратном направлении коллекторный переход (U_кэ около 10 В). От напряжения U_бэ зависит как ток эмиттера, так и ток базы (обычно несколько десятков микроампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора зависит от малого тока базы, т. е. малые изменения тока базы вызывают большие изменения тока коллектора.

Почему биполярный транзистор усиливает сигналы?

Рассмотрим это на примере, воспользовавшись упрощенной схемой усилителя на транзисторе (рис. 4.3, а). Переход база-эмиттер смещен в проводящем направлении, для этого между базой и эмиттером имеется напряжение смещения около 0,5–1,0 В. Переход коллектор – база смещен в обратном направлении, для этого между коллектором и базой существует напряжение смещения около 10–20 В (обычно 12 В). Между базой и эмиттером находится источник управляющего сигнала, например синусоидального, напряжением около нескольких десятков милливольт.

Напряжение между базой и эмиттером изменяется в соответствии с изменениями мгновенного управляющего напряжения и в каждый момент равно сумме постоянного напряжения от источника смещения и мгновенного значения управляющего напряжения (рис. 4.3, б). Для одного полупериода управляющего напряжений получен рост напряжения, смещающего базу в проводящем направлении, и увеличение тока базы, для другого – наоборот. Увеличение проводимости в переходе база – эмиттер вызывает рост тока через транзистор (от эмиттера до коллектора). Ток коллектора составляет обычно несколько миллиампер и при изменениях тока базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на несколько миллиампер. Пои сопротивлении нагрузки в цепи коллектора, равном нескольким килоомам, диапазон мгновенных изменений падения напряжения на этой нагрузке составит несколько вольт.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению, определенный как отношение изменения напряжения на сопротивлении нагрузки (несколько вольт) к изменению напряжения в цепи базы (несколько десятков вольт), составит несколько десятков.

Коэффициент усиления по току, определяемый отношением изменений (приращений) токов, т. е. несколько миллиампер для тока коллектора и несколько десятков микроампер для тока базы, составит примерно 100. Следовательно, коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициента усиления по току на коэффициент усиления по напряжению, будет равен нескольким тысячам.

Рис. 4.3. Упрощенная схема транзисторного усилителя (а) и изменение мгновенного напряжения на его входе (б):

_{1 – наибольшая проводимость перехода (максимальные токи базы, эмиттера, коллектора); 2 – наименьшая проводимость перехода (минимальные токи базы, эмиттера, коллектора)}

Как обозначаются токи и напряжения в транзисторных схемах?

В типичной транзисторной схеме одновременно имеются как постоянный, так и переменный ток. Часто приходится помимо постоянного тока определять и обозначать переменный (мгновенное, максимальное, действующее, среднее значение) либо их полные значения, являющиеся результатом суммирования постоянного и переменного токов (полное среднее, полное максимальное). Это осложняет вопрос обозначений и может приводить к недоразумениям. Поэтому во многих странах, в том числе и в ПНР, принята единая система обозначений.

Для обозначения токов и напряжений в транзисторных схемах используются буквы i, I, а также u, U с соответствующими индексами. В общем случае малые буквы относятся к мгновенным значениям, а большие используются для обозначения величин, определенных индексом, а также для обозначения постоянного тока.

Буквы в индексе определяют электрод транзистора (К, к – коллектор; Э, э – эмиттер; Б, б – база), а также среднее значение (СР, ср) – либо максимальное (m, max). Малые буквы в индексе относятся только к самой переменной составляющем, а большие – к постоянному току и к полным значениям.

Подробнее «расшифровка» системы буквенных обозначений для токов приведена на рис. 4.4. Для напряжений часто используется дополнительная буква в индексе, обозначающая электрод, относительно которого определяется напряжение, например u_бэ, U_бк, U_{кэ max} и т. д.

Рис. 4.4. Обозначения токов в биполярных транзисторных схемах:

_{tк – мгновенное значение тока коллектора; IКр – ток коллектора в рабочей точке; IКmax – максимальное значение коллекторного тока; IКд – действующее значение; IКm – амплитудное значение тока; ΔIКр – приращение постоянной, составляющей при наличии переменного сигнала; t1 – время, в течение которого отсутствует переменный сигнал; t2 – на входе действует переменный сигнал}

В каких схемах включения биполярный транзистор работает как усилитель?

Транзистор может работать как усилитель в трех основных схемах включения (рис. 4.5): схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем обладает свойствами, с точки зрения усиления входного и выходного сопротивлений. Чаще всего используют схему ОЭ.

Рис. 4.5. Схемы включения транзистора:

_{а – схема с общей базой; б – схема с общим эмиттером; в – схема с общим коллектором}

Что можно сказать о транзисторе как элементе схемы?

Транзистор является активным (нелинейным) элементом, параметры которого зависят от токов, напряжений (т. е. от рабочей точки и уровня сигнала), температуры и частоты. При работе с малыми сигналами транзистор приближенно можно считать линейным элементом.

Зависимость параметров транзистора от условий работы создает значительные трудности при проектировании и рассмотрении транзисторных схем. Часто возникает необходимость представления транзистора в виде упрощенной эквивалентной схемы (модели). Это трудная задача, так как эквивалентная схема транзистора зависит не только от условий работы, но и от технологии изготовления данного транзистора (материала и размеров).

Существует много приближенных эквивалентных схем, каждая из которых имеет ограниченный диапазон применений. Транзистор можно представить в виде соединения двух диодов: одного – смещенного в проводящем направлении (эмиттер – база), другого – в обратном (коллектор – база). Такие схемы называются физическими эквивалентными схемами или физическими моделями транзистора, так как они дают наглядное представление о физическом смысле отдельных элементов схемы. Эквивалентные схемы этого типа зависят также от схемы включения транзистора. Они различны для схем ОБ, ОЭ, ОК.

Что можно сказать о транзисторе как четырехполюснике?

Во многих случаях неудобно пользоваться физической эквивалентной схемой, поскольку она излишне сложна и содержит составляющие элементы, которые не всегда можно определить либо найти в справочнике для определенных условий работы транзистора. В этом случае часто пользуются представлением транзистора в виде «черного ящика» с двумя входными и двумя выходными зажимами (рис. 4.6), совершенно не вникая во внутреннюю структуру этого «ящика» и интересуясь лишь параметрами «ящика» в целом со стороны входных и выходных зажимов. Такой «черный ящик» называется активным четырехполюсником.

Рис. 4.6. Представление транзистора в виде четырехполюсника

При использовании эквивалентной схемы в виде четырехполюсника обычно транзистор рассматривается как линейный элемент. В принципе это допущение справедливо только при работе с малыми сигналами. Отсюда параметры транзистора называются малосигнальными. Транзистор как четырехполюсник можно описать с помощью только четырех параметров, значение которых зависит от рабочей точки и частоты. В общем значения этих параметров можно найти в справочниках либо измерить более простым способом, чем в случае измерения сопротивлений, входящих в состав физической модели транзистора.

Существует несколько типов четырехполюсников, отличающихся рассмотрением при различных условиях на входе и выходе, а именно в режимах короткого замыкания или холостого хода и принятии различных независимых переменных. Наибольшее практическое применение нашли четырехполюсники типа h и четырехполюсники типа у.