П. П. Борисков электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Вопросы по дисциплине "электронные приборы и устройства" 1 51kb.
Вопросы к экзамену Что изучает наука «Электротехника» инаука «Электроника» 1 109.63kb.
Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 1 109.63kb.
Устройства для ламп 3 445.33kb.
Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 05. 1 85kb.
Электронные образовательные ресурсы Что такое электронные образовательные... 1 123.89kb.
Название издательства или провайдера 1 46.83kb.
Международная конференция 1 33.73kb.
Рабочая программа учебной дисциплины «электротехника и электроника ч. 1 143.3kb.
Электротехника и электроника Вариант 1 1 196.21kb.
Учреждения, организации 1 52.71kb.
Программа кандидатского экзамена по научной специальности 05. 1 76.52kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

П. П. Борисков электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты - страница №1/9

Петрозаводский государственный университет

В. И. Сысун


О. В. Олещук

П. П. Борисков
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. Ч II.

Электрические и электронные аппараты и устройства.

Учебное пособие

Петрозаводск

2008

ББК 32.8401



УДК 621.37

С 956
Рецензенты:


Печатается по решению редакционно-издательского совета

Петрозаводского государственного университета



Сысун В. И., Олещук О.В., Борисков П.П.

С 956 Электротехника и Электроника. Ч.II: Учебное пособие / ПетрГУ. Петрозаводск, 2008. 113 с.


ISBN 5802102225
В пособии рассмотрены основные электронные и электротехнические устройства: усилители, генераторы, цифровые электронные схемы, электрические машины, выпрямители и инверторы. Особое значение уделяется анализу стабилизации работы усилителей и генераторов. Кратко описываются основные элементы электронных устройств (диоды, транзисторы, тиристоры, электронные лампы и пр.).

Пособие является продолжением учебного курса “Теория сигналов и цепей”, и предназначено для студентов специальностей "физическая электроника", "автоматизированные системы обработки информации и управления", "информационно-измерительная техника и технологии", "информационные системы", "физика" и "геофизика".



ББК 32.8401

ISBN 5802102225  В. И. Сысун , О.В. Олещук, П.П. Борисков, 2008

 Петрозаводский государственный

университет, 2008



Содержание.
1. Элементы электронных устройств.

1.1. Электронные лампы.

1.1.1. Ламповый диод, триод, тетрод, пентод.

1.1.2. Некоторые лампы СВЧ диапазона.

1.1.3. Газоразрядные приборы.

1.2. Полупроводниковые элементы.

1.2.1. Полупроводниковые диоды.

1.2.2. Биполярные транзисторы.

1.2.3. Тиристоры.

1.2.4. Полевые транзисторы.

1.2.5. Полупроводниковые приборы как элементы интегральных

микросхем.



2. Трансформаторы.

2.1.Потери в трансформаторе.

2.2. Уравнение трансформатора, векторная диаграмма.

2.3. Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Типичные

параметры силовых трансформаторов.
3. Электрически машины.

3. 1. Электрические машины постоянного тока.

3.1.1. Устройство машины постоянного тока

3.1.2. Режим генератора.

3.1.3. Режим двигателя.

3.1.4. Внешние характеристики генераторов и двигателей.

3.2. Синхронные электрические машины переменного тока.

3.3. Асинхронные машины (двигатели).


4. Выпрямители и инверторы промышленной частоты.


  1. Электронные усилители.

    1. Классификация и основные характеристики усилителей.

    2. Принцип действия усилителя.

    3. Обратная связь в усилителях.

      1. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

      2. Особенности усилителя с отрицательной обратной связью. Примеры отрицательной обратной связи в усилителях.

5.4. Усилители постоянного тока.

5.5. Узкополосные (резонансные) усилители.

5.6. Усилители мощности.

5.7. Дифференциальный усилитель.

5.8. Операционные усилители.

5.9. Шумы в усилителях.




  1. Генераторы электрических колебаний.

6.1. Автогенератор в виде усилителя с положительной обратной связью.

6.2. RC-генераторы.

6.3. Автогенератор в виде контура с отрицательным дифференциальным

сопротивлением (туннельный диод).

6.4. Стабилизация частоты в автогенераторах.

6.5. Генераторы шумовых сигналов.



    1. Генераторы релаксационных (импульсных) колебаний.




  1. Цифровые электронные устройства.

    1. Элементы цифровой логики.

    2. Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах.

    3. Упрощение логических выражений с помощью диаграмм Карно-

Вейча.

    1. Последовательные цифровые устройства.

    2. Счётчики.

    3. Регистры.

    4. Комбинационные цифровые устройства.


Список литературы.

1.Элементы электронных устройств.
Наряду с простейшими элементами с постоянными параметрами (сопротивления, емкости и индуктивности), составляющие линейные электрические цепи, в электронике широко применяются различные нелинейные элементы. Наиболее известны среди них – это электронные лампы (диоды, триоды, тетроды и т.п.), газоразрядные приборы (тиратроны, разрядники) и полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры и т.п.).


    1. Электронные лампы.


1.1.1. Ламповый диод, триод, тетрод, пентод.

Принцип действия лампового диода (рис.1.1 а) основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Внутри вакуумного баллона над одним из нагретых электродов (катоде) образуется электронное облако, которое может собираться противоположным электродом (анодом), если к нему приложено положительное напряжение относительно катода.





Рис. 1.1. Ламповые элементы: диод (а), триод (б), тетрод (в).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) лампового диода является следствием решения уравнения Пуассона при нулевом значении потенциала и его градиента на катоде:

(1.1),

и для плоского анодного промежутка имеет вид



(1.2),

где ua – анодное напряжение (V), ja –плотность тока (A/cm2), d –длина промежутка (cm).

Таким образом, ток анода в прямом смещении (ua>0) пропорционален напряжению в степени три вторых, а при отрицательном (обратном) напряжении (ua<0) ток равен нулю (рис.1.2) и определяет практически идеальные выпрямительные характеристики лампового диода, реализуя так называемый вентильный эффект.



Рис.1.2. ВАХ лампового диода.
Выражение (1.2) показывает малое значение возможного тока в лампе даже при напряжении до сотен вольт, что является существенным недостатком лампы. Это объясняется влиянием отрицательного поля объемного заряда электронов, создающих ток.

Другим недостатком лампы является необходимость затрачивания большой мощности на нагрев катода для обеспечения эмиссии электронов:



(1.3).

Здесь A  60200 A/cm2 , e - работа выхода материала катода ( 4.5 eV для вольфрама), T - рабочая температура (2300-2500 K). Для специальных оксидных катодов e 0.811.4 eV и рабочую температуру T можно уменьшить до 10001100 K.

Преимуществом ламп является радиационная и температурная устойчивость, возможность выдерживать высокие напряжения (до 100 kV), практическое полное отсутствие обратного тока при отрицательном напряжении на аноде.

Дополнительный сеточный электрод вблизи анода реализует схему трехэлектродной электронной лампы, называемой триодом (рис.1.1 б). ВАХ триода (рис.1.3) показывает возможность управлять анодным током с помощью сеточного напряжения.

Триод характеризуется тремя основными параметрами: крутизной характеристики S, внутренним сопротивлением Ri, коэффициентом усиления .

(1.4).


Рис. 1.3. ВАХ лампового триода.
Эти параметры связаны равенством

(1.5).

Для малого приращения анодного тока справедливо соотношение



(1.6).

Другие многоэлектродные ламповые элементы отличаются дополнительными сеточными электродами, среди которых следует выделить тетрод (рис.1.1 в). Вторая сетка тетрода, называемой экранирующей, помещается между управляющей сеткой и анодом, и на нее подается постоянное положительное напряжение.

Тетроды имеют больший коэффициент усиления и меньшую “проходную” анодно-сеточную емкость по сравнению с триодом. Кроме того, ВАХ тетрода (рис.1.4) может иметь провал, называемый динатронным эффектом. Последний является следствием вторичной электронной эмиссии: каждый электрон, ускоряемый полем экранирующей сетки, может “выбивать” из анода вторичные электроны. При анодных напряжениях меньше напряжения экранирующей сетки (участок a-b) вторичные электроны остаются на сетке, уменьшая анодный ток, а при больших (участок b-c) вторичные электроны возвращаются на анод.

Устранение динатронного эффекта достигается в пятиэлектродных лампах (пентодах) за счет введения третьей (защитной) сетки, расположенной между анодом и экранирующей сеткой и присоединенной непосредственно к катоду. Защитная сетка обладает большой проницаемостью для быстрых электронов, ускоренных с катода, но отталкивает медленные электроны, отраженные с анода. При этом еще более уменьшается емкость (управляющая сетка - анод) и увеличивается внутреннее сопротивление и коэффициент усиления (до нескольких тысяч) лампы.





Рис. 1.4. ВАХ лампового тетрода. Участок (a-b) –динатронный эффект.

В настоящее время ламповые элементы из-за их недостатков вытесняются полупроводниковыми элементами и остаются только в областях электроники, где сказывается их преимущества. Это мощные и высокочастотные генераторные и модуляторные лампы с напряжениями до десятков kV в непрерывном режиме, а также специальные СВЧ-лампы до десятков ГHz.


1.1.2. Некоторые лампы СВЧ диапазона.

С увеличением частоты время пролета электронов между электродами сравнимо с периодом колебания напряжения на сетке и в обычной электронной лампе управление нарушается. В этом случае применяют специальные лампы, где используется принцип пространственной группировки электронов.



Отражательный клистрон.

Катод эмитирует электроны (рис.1.5), которые формируются в электронный луч и направляются к модулятору. Далее, электроны проходят его и достигают отражателя, находящегося под потенциалом катода, отражаются от него и возвращаются в модулятор, представляющий собой СВЧ колебательный контур (резонатор). В переменном электрическом поле резонатора электроны в отдельные моменты ускоряются, в другие – тормозятся. В результате за модулятором происходит группировка электронов: быстрые электроны догоняют медленных, а следующие за ними электроны (медленные) отстают.





Рис. 1.5. Отражательный клистрон.

1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – резонатор; 4 – отражатель.


Группировка происходит за модулятором и рассчитывается таким образом, чтобы при входе в модулятор после отражения электроны были сгруппированы, и, проходя вторично через модулятор, усилили электрическое поле в нем. Для этого время пролета до отражателя и обратно должно составлять = (N+3/4)T, где N – целое число, T – период колебаний. При нарушении этого соотношения электроны либо не успеют сгруппироваться, либо снова разгруппируются. Усиленные электрические колебания можно отбирать от резонатора. Это усиление возникает только в узком диапазоне частот, т.к. резонатор имеет высокую добротность (его геометрические размеры соответствуют целому числу волн). В клистроне возникает только небольшое усиление (порядка десяти) из-за малого времени взаимодействия пучка электронов с полем резонатора при скоростях электронов много меньших скорости света.

Лампа бегущей волны.

В лампе бегущей волны с целью уравнивания скорости электрона и волны прибегают не к ускорению электрона до скорости света, а к замедлению волны до скорости электронов. С этой целью волну заставляют следовать вдоль направляющего проводника, свернутого в спираль (рис. 1.6). Степень замедления определяется отношением длины витка к шагу спирали. Продольные магнитное поле способствует фокусировки электронного пучка. После входного волновода электроны, как и в клистроне, группируются. Их скорость должна быть несколько больше скорости распространения волны, чтобы при взаимодействии с волной они усиливали поле.




Рис. 1.6. Лампа бегущей волны.

1 – стеклянный баллон; 2 – катод; 3 – управляющий электрод; 4 – первый анод; 5 – второй анод; 6 – коллектор; 7 – фокусирующая катушка; 8 – металлический каркас катушки; 9 – спираль; 10 – цилиндры связи; 11 – входная коаксиальная линия; 12 – выходная коаксиальная линия; 13 – устройство согласования лампы с входом и выходом; 14 – поглотитель.


Магнетрон.

Магнетрон представляет собой генератор электромагнитных колебаний, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, магнитное поле - аксиальное, а замедляющая система является резонансной. Для магнетронов характерна замкнутая в кольцо колебательная система и замкнутый электронный поток, образуемый с помощью цилиндрического катода, расположенного по оси прибора (рис.1.7).

Принцип действия магнетрона основан на преобразовании колебаний электронного потока в электромагнитную волну с определенной частотой (близкой к частоте резонатора). Сами колебания поддерживаются за счет источника постоянного напряжения анод - катод.

Анодный блок магнетро­на (рис. 1.7) представляет собой невы­сокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным отверстием, они образуют объемные ре­зонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заклю­ченная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилин­дра, боковая поверхность которого покры­та оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь по­ток электронов, движущийся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрирован­ными вблизи щелей колебательных систем, и группируется. Электрическое и магнитное поле рассчитывается так, чтобы вблизи анода электроны двигались по окружности (условие касания анода). В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высо­кочастотных колебаний отводится из маг­нетрона. Как правило, анодный блок маг­нетрона заземляется, а катоду сообщает­ся достаточно высокий отрицательный по­тенциал. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюса которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока.





Рис. 1.7. Магнетрон.

1 – анодный блок; 2 – катод; 3 – резонатор; 4 – сегмент; 5 – петля связи.


Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.


1.1.3. Газоразрядные приборы.

Ток через вакуумный прибор можно существенно увеличить, а падение напряжения на нем уменьшить, если отрицательный объемный заряд в межэлектродном промежутке скомпенсировать положительным объемный зарядом ионов, образующихся при ионизации электронами атомов введенного в прибор газа. В результате в промежутке обеспечивается квазинейтральность , так как при отступлении от нее некомпенсированный объемный заряд ионов создает внутреннее электрическое поле, которое замедляет электроны.

Падение напряжения на приборе должно превышать потенциал ионизации наполняющего газа V. Газоразрядные приборы смогут работать и без подогреваемого катода. Это приборы тлеющего разряда и дугового разряда с катодным пятном.

Недостатком газоразрядных приборов является медленная рекомбинация ионов и электронов (деионизация) после снятия напряжения, что требует определенное время для восстановления электрической прочности. Кроме того, при прохождении тока газоразрядные приборы теряют управляемость из-за экранировки управляющего электрода (сетки) противоположным зарядом плазмы.

Типичные газоразрядные приборы, которые продолжают конкурировать с полупроводниковыми приборами, это высоковольтные импульсные водородные тиратроны, газовые и ртутные разрядники.


Рис. 1.8. Тиратрон.

1 – катод; 2 – подогреватель; 3 – сетка; 4 – анод; 5 – экран.


Водородный тиратрон (рис. 1.8) обычно метало - керамического исполнения имеет подогреваемый катод и управляющую сетку. При подаче на сетку положительного потенциала возникает газовый разряд сначала на сетку, затем электроны проходят через отверстия сетки и газовый разряд распространяется на анод. После того, как образовалась газоразрядная плазма, сетка экранируется слоем заряженных частиц обратного знака, и ее поле не проникает в плазму, так что сетка уже не влияет на разряд и не может прекратить ток. Прекратить ток можно только, уменьшая потенциал анода ниже потенциала погашения разряда. Плазма распадается за время, порядка десятка микросекунд, и тиратрон снова готов к управлению.

Типичные водородные тиратроны ТГИ 1000/25 (ток в импульсе 1000 А, напряжение 25 kV), ТГИ1 5000/50 (5 kА, 50 kV). Длительность импульса тока через водородные тиратроны – до десятка микросекунд, частота – до десятков kHz.

Неуправляемые газовые разрядники имеют только холодный (ненагреваемый) катод и анод. При достижении напряжения пробойного значения происходит пробой газа и разряд с большим током, ограничиваемым только внешней цепью. Служат такие разрядники в качестве защитных, предохраняя устройства от перенапряжения, или в качестве коммутаторов, работающих на самопробое. Управляемые газовые разрядники имеют управляющее устройство, при подаче на которое управляющего сигнала происходит инициирование главного разряда между анодом и катодом.

Важную нишу в мощных коммутирующих приборах занимают ртутные разрядники и ртутные экзитроны. Ртутные приборы полностью откачиваются и имеют изолированный анод, жидкий ртутный катод, в который опущено инициирующее устройство в виде полупроводникового конуса. При подаче управляющего импульса на контакте с ртутью возникает дуговой разряд и распространяющаяся ртутная плазма замыкает главный промежуток. После разряда ртуть стекает по стенкам снова на катод, так что катод практически не изнашивается. Типичные ртутные разрядники: ИРТ – 3 (20 kV, 300 kА), ИРТ 5 (50 kV, 100 kА). Применяются такие разрядники в промышленных установках электрогидравлической и магнито - импульсной обработки материалов и в специальных импульсных устройствах.

При помещении между электродами сеток (экзитрон) происходит более легкое управление и быстрое восстановление электрической прочности, выдерживание без пробоя обратного напряжения. Применяются в мощных частотных импульсных накопителях в радиолокации и космической связи.

1.2. Полупроводниковые элементы.
1.2.1.Полупроводниковые диоды.

Основой работы полупродникового диода является наличие p-n перехода (рис. 1.9). Вследствие диффузии дырки из p-области внедряются в n-область, а электроны из n-области – в p-область. На переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему (диффузионному) движению основных зарядов. Если приложить внешнее электрическое поле, когда напряжение на p-электроде (аноде) меньше напряжения на другом n-электроде (катоде), то этот потенциальный барьер еще более увеличится, и ток будет создаваться неосновными носителями (электронами в p-области и дырками в n-области). Этот малый по значению ток, называемый обратным, с увеличением напряжение выходит на постоянное значение Io – обратный ток насыщения (см. рис. 1.9). Выбранную полярность внешнего поля называют обратным смещением p-n перехода.

В противоположной полярности внешнего электрического поля (прямое смещение перехода) потенциальный барьер уменьшается и с ростом напряжения может даже исчезнуть. Прямой ток в этом случае существенно больше обратного, так как создается уже основными носителями p и n –областей перехода.

Выпрямительные свойства у полупроводникового диода хуже, чем у лампового диода из-за существования обратного тока. Кроме этого, полупроводниковые диоды обладают, как правило, большей собственной емкостью, что не позволяет их использовать в области высоких частот. Отметим, что ВАХ диода сильно зависит от температуры, с ростом которой увеличивается как прямой, так и обратный ток.





Рис.1.9. ВАХ полупроводникового диода. Io – обратный ток насыщения. Показано обозначение диода и прямое смещение p-n перехода.

Существуют различные модификации полупроводниковых диодов в связи с их техническими приложениями. Наличие значительной барьерной емкости, зависящей от приложенного напряжения, у некоторого класса диодов, называемых варикапами, используется в параметрических емкостных схемах (параметрические усилители, параметроны и т.п.).

Рост обратного напряжения для классического диода, в конце концов, приводит к его пробою (полевому или лавинному) с выходом из строя. Для специально конструированных планарных диодов, называемых стабилитронами, этот участок лавинного пробоя с резким возрастанием тока за счет лавинного рождения электронно-дырочных пар, слабо зависящим от обратного напряжения, является рабочим и используется в схемах стабилизации токов и напряжений (рис. 1.10).



Рис. 1.10. ВАХ стабилитрона. Реверсивной стрелкой показан рабочий участок ВАХ.

Наконец отметим полупроводниковый диод, обладающий подобно тетроду ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис.1.11), называемый туннельным. Его работа основана на квантовом туннельном эффекте, при котором вследствие малой толщины p-n перехода, что обеспечивается большой концентрацией примесей, возможно прохождение носителей заряда с энергией меньшей потенциального барьера перехода. Но с увеличением прямого напряжения барьер снижается, туннельный эффект пропадает, ток сначала уменьшается, а затем растет как в обычном диоде. Главное преимущество туннельного диода по сравнению с электронными лампами состоит в их быстродействии, так как туннельный (квантовомеханический) перенос электронов происходит со скоростью, близкой к скорости света.





следующая страница >>



Чтобы получить настоящее удовольствие от этих девушек, вам необходимы три вещи: время, деньги и близорукость. Роберт Орбен
ещё >>