Электроника. Элементная база электроники презентация

Электроника это наука, изучающая:
Явления, происходящие в веществе под действием внешних факторов
Элементы, работающие на использовании этих явлений
Электронные устройства, схемы, составленные с использованием элементов электроники

Элементная база электроники делится на:
Электровакуумные приборы - работают на явлении термоэлектронной эмиссии.
Газоразрядные приборы - работают на явлении электрического разряда в газах.
Полупроводниковые приборы - работают на явлении проводимости полупроводников.
Фотоэлектронные приборы - работают на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффекта.
Микросхемы

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Проводимость полупроводников
Полупроводниками называют вещества, проводящие электрический ток при определенных условиях. К полупроводникам относятся все элементы 4-й группы таблицы Менделеева

+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Собственная проводимость

+
Si
Si
Si
In
Si
Si
Si
Si
Si
+
При добавлении 3-х валентной примеси (In) p-тип

При добавлении 5-валентной примеси (n-тип)
-

Образование p-n перехода
3х валентная примесь
5ти валентная примесь
Si
+

+
_

Полупроводниковые диоды

Диод - 2-электродный полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока: он хорошо пропускает через себя ток в одном направлении и очень плохо — в другом.
Это основное свойство диода используется, в частности, для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток.

Конструктивно диод представляет собой небольшую пластинку германия или кремния, одна область которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть «дырочной», другая — электропроводимостью n-типа, то есть электронной .
Схематическое устройство диода

Область p-типа – анод (А)
Область n-типа – катод(К)
:

А
А
К
К

Кремниевый стабилитрон

Условное обозначение
Стабилитрон представляет собой прибор с одним p-n переходом (т.е. диод).
Основным материалом является кремний

Особенность- повышенная концентрация носителей зарядов в полупроводниках обеспечивает пробой p-n перехода при напряжениях от 1 до 10В. При таком пробое не происходит разрушения кристалла, т.е. он является обратимым.
Такой пробой называют электронным.

Рабочая часть вольт-амперной характеристики находится в области обратного включения.
Uстаб1
Uстаб2
Uстаб3

Схема простейшего стабилизатора
+
-
Uвход
Uвых

Тиристоры

Тиристор – мощный полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (и более) n-p-перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Тиристор

Основным свойством четырехслойной структуры является способность находиться в двух состояниях устойчивого равновесия: максимально открытом (с большой проводимостью) и минимально закрытом (с малой проводимостью)

Принцип действия динистора
При прямом включении динистора источник питания смещает р-n-переходы П1 и П3 в прямом направлении, а П2 – в обратном
Если к динистору приложено обратное напряжение, то переход П2 открыт, а переходы П1 и П3 закрыты.

При приближении режима работы динистора к участку АБ происходит переключение его из одного состояния в другое.
Динисторы относятся к неуправляемым коммутирующим элементам.

Принцип действия тринистора
Тринисторы относятся к разряду управляемых коммутирующих элементов.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n–переходами, имеющий три вывода (электрода).
Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Устройство транзистора.
Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n –перехода. Каждый слой полупроводника подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод называют базой,
один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером,
а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.

n-p-n транзистор
p-n –p транзистор

Принцип действия транзистора
UЭК>>UЭБ
База тонкая
База слаболегированная

Схемы включения биполярных транзисторов

Транзисторы включают по схеме с общим электродом
Схема с общей базой
Схема с общим эмиттером
Схема с общим коллектором

KI = ∆Iвых / ∆Iвх
KU=∆Uвых/∆Uвх
KP=∆Pвых/∆Pвх
-Коэффициент усиления по току;
-Коэффициент усиления по напряжению;
-Коэффициент усиления по мощности.

I э≈I к I Б«I к (в 10-100 раз)
Rэ очень мало
Rк очень велико
RБ очень велико

α=β/(β+1)
β= α/(1-α)

Полевой транзистор

Полевой транзистор —
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками)

Область,в которой создана проводимость, называют каналом.
Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом.
Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.
З
И
С
канал
-
-
+
-

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком.
Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком.
Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Uз= 0
Uз
U запирания
I c

Схемы включения полевых транзисторов
Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем:
с общим истоком (ОИ),

Схемы включения полевых транзисторов
На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности.
Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Фоторезисторы
Фоторезисторами
называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.

Изолированная подложка
Полупроводник
Ф Rф (e+) I
I
При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток
Iс = E / (Rс + Rн).

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 3) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток
Iт = E / (Rт + Rн), (4)
где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки.

Фотодиод
Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда.
Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу- диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля.
То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком

Схемы включения фотодиодов
Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора)
и с внешним источником (режим фотопреобразователя).

Фототранзистор
Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами, которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода.
Они изготавливаются практически только на кремнии.

Фототранзистор – фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы.
Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм..

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямители – это устройства, которые служат для преобразования переменного тока в постоянный.
Выпрямители бывают:
однополупериодные и двухполупериодные
однофазные и многофазные
управляемые и неуправляемые

Структурная схема выпрямителя
Трансформатор – служит для понижения питающего напряжения
Блок вентилей – обеспечивает преобразование переменного тока в пульсирующий
Сглаживающий фильтр - служит для преобразования выпрямленного тока в ток, близкий по форме к постоянному.

Основные характеристики выпрямителей
Номинальное напряжение постоянного тока U0- среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями

Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Характеризуется коэффициентом пульсаций

Коэффициент пульсаций kп – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока.

1. Однофазный однополупериодный выпрямитель
Uобр.m =3,14U0.
Iср д=I0
kп=1,57
VD

2. Схема со средней точкой
Uобр.m =3,14U0
kп=0,67
iVD1
iVD2
iН
u2

3. Мостовая схема
Uобр.m =1,57U0
kп=0,67
u2
iVD2 ,VD3
iVD1 ,VD4
iН

Uобр.m=2,09 U0
kп=0,25
3.1 Трехфазный однополупериодный выпрямитель

3.2 Трехфазный двухполупериодный выпрямитель
Uобр =1,05 U0
kп=0,057

УСИЛИТЕЛИ

УПТ - Усилители постоянного тока
УЗЧ - Усилители звуковых частот
УВЧ – Усилители высокой частоты
ШПУ – широкополосные усилители
УПУ – узкополосные усилители

Каскады предварительного усиления – предназначены для согласования с источником усиливаемого сигнала и усиления сигнала по напряжению

Выходные каскады – предназначены для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке

Основными элементами каскада являются
Усилительный элемент УЭ (биполярный или полевой транзистор)
Сопротивление R
Источник питания Е

Принцип усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет свойств УЭ по закону, задаваемому входным сигналом

Основные элементы
Источник питания Ек
Управляемый элемент транзисторVT
Резистор Rк
Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада.
Остальные элементы выполняют вспомогательную роль.

Вспомогательные элементы
Ср1, Ср2 – отсекают постоянную составляющую тока от входного и выходного сигнала
R1,R2- обеспечивают устойчивый режим работы
Rэ- обепечивает температурную стабилизацию
Сэ – ослабляет влияние отрицательной обратной связи

Двухтактные усилители мощности

Колебания звуковой частоты с предпоследнего каскада подаются на базы обоих транзисторов так, что напряжения на них изменяются в любой момент времени в противоположных направлениях, т.е. в противофазе.
При этом транзисторы работают поочередно, на два такта за каждый период подводимого к ним напряжения.

Когда, например, на базе транзистора V1 отрицательная полуволна, он открывается и через секцию Iа первичной обмотки выходного трансформатора идет ток только этого транзистора (график б). В это время транзистор V2 закрыт

В следующий полупериод, наоборот, положительная полуволна будет на базе транзистора V1, а отрицательная - на базе транзистора V2. Теперь открывается транзистор V2 и через секцию Iб первичной обмотки выходного трансформатора идет ток его коллектора (график в), а транзистор V1, закрываясь, «отдыхает».

В обмотке трансформатора коллекторные токи обоих транзисторов суммируются (график г), в результате на выходе усилителя получаются более мощные электрические колебания звуковой частоты, чем в обычном однотактном усилителе.

Генераторы импульсов

Под мультивибратором понимают генератор импульсов, который представляет собой двухкаскадный электронный усилитель с резисторно-емкостной связью. Этот тип генератора отличается от других тем, что он одновременно генерирует множество синусоидальных колебаний. С этим связано и его название от латинских слов, multum — много, vibro — колеблю.
Мультивибраторы

Мультивибратор в автоколебательном режиме

Мультивибратор дает сигнал очень сложной формы, обычно похожий на прямоугольник.
Частота колебаний мультивибратора зависит от величин емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в цепи обратной связи.

Из-за наличия конденсаторов мультивибратор не имеет устойчивых состояний и обеспечивает генерирование импульсов, имеющих форму, близкую к прямоугольной

Графики, поясняющие работу мультивибратора автоколебательном режиме

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов.
По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.
Триггер

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации.
Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

Генераторы колебаний

LC – Автогенераторы

Трёхточечные схемы автогенераторов

LC - Автогенератор
LC-генератор так называется, потому что в нём используется LC-контур.

Условие незатухания колебаний
Баланс фаз
Баланс амплитуд

Элементы R1, R2, R3C3 обеспечивают необходимый режим по постоянному току усилительного элемента и его термостабилизации.
Элементы L2C2 образуют параллельный колебательный контур.

В момент включения питания в коллекторной цепи транзистора VT появляется коллекторный ток, заряжающий емкость С2 контура L2C2.
В следующий момент времени заряженный конденсатор разряжается на катушку индуктивности. В контуре возникают свободные затухающие колебания частотой f0 = 1 / 2π√L2C2.

Переменный ток контура, проходя через катушку L2 создает вокруг неё переменное магнитное поле, а это поле в свою очередь наводит в катушке L1 переменное напряжение, которое вызывает пульсации тока коллектора транзистора VT. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нём усиленное переменное напряжение.

RC генератор

Схема с трехфазной фазирующей цепочкой или схема с реактивными элементами одного знака.
Из схемы видно, что усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180º.
Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.

С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.