Рабочая тетрадь по предмету Электротехника

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Коммунальное государственное казенное предприятие

«Колледж транспорта» управления образования

области  Абай

Рабочая тетрадь

по предмету «Электротехника с основами электроники»

для специальностей:

1201000  «Техническое обслуживание, ремонт и эксплуатация автомобильного транспорта»;

Выполнила: Кадирханова А.М.

Рассмотрен на заседании

общетехнических дисциплин

№___ «______________»

Председатель ПЦК: ________Кадирханова А.М.

г.Семей

2022 – 2023 учебный год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Целью курса по "Электротехнике и электронике" является овладение основами теоретических и практических знаний в области электротехники и электроники.

Без знания основных законов электротехники и электроники, принципов работы электротехнических устройств и электронных приборов невозможно овладеть избранной профессией и стать полноценным специалистом. Помимо того, следует иметь в виду, что электротехника и электроника являются теоретической базой для ряда других дисциплин, а именно автоматики, вычислительной техники, технологического оборудования и т. п. Теоретические методы, которые разработаны в электротехнике  и электронике с успехом применяются и в других инженерных дисциплинах.

Основные задачи курса заключается в освоении базовых понятий, определений и методов в области электротехники и электронике, которые обеспечивали бы успешное освоение специальных электротехнических дисциплин и дисциплин по электронике на последующих стадиях обучения.

Процессы, протекающие в электротехнических устройствах, в общем случае подчиняются общим законам электромагнитного поля. Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, сопровождаются взаимным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды, и аналитически описываются уравнениями в частных производных (уравнениями Максвелла). Их общее решение затруднительно даже в простейших случаях. В теории электромагнитного поля оперируют с векторными величинами, такими, как плотности токов, напряженности электрического и магнитного полей.

Для исследования широкого круга устройств можно применять упрощенные методы. Их используют в электротехнике и теории электрических цепей. Они основаны на замене реального устройства некоторой упрощенной моделью, процессы в которой описываются скалярными величинами – токами, напряжениями. Отдельные элементы устройства также, заменяются моделями приближенно отражающими свойства реального элемента. Таким образом, электротехника занимается упрощенными методами исследования и расчета электромагнитных явлений и устройств на их основе, процессы в которых описываются  электрическими токами и напряжениями.

Электротехника имеет два направления. Они имеют общую физическую основу, но направлены на решение различных технических задач. Силовая электротехника – это производство и передача электрической энергии и преобразование ее в другие виды: механическую, тепловую, световую. Информационная электротехника - направлена на использование электрических явлений для передачи и обработки информации. Второе направление называют радиоэлектроникой, информационной электроникой, оно изучается в курсе теория электрических цепей и рассмотрено в настоящем пособие.

Электротехника — это наука, изучающая электрические явления для нужд промышленного производства.

Важнейшим электрическим явлением, которое рассматривается в электротехнике, является электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. При рассмотрении тока в металлах он представляется в виде упорядоченного движения электронов (валентных электронов). При этом кристаллическая решетка металла является пространственно-периодичной. Электрический ток в металлах создается дрейфом электронов, накладывающимся на их беспорядочное тепловое движение, имеющее относительно большую скорость. Для существования электрического тока необходимо наличие электрической цепи.

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии.

В медицине электрический ток используют в реанимации, электростимуляции определённых областей головного мозга. Электрические разряды применяются для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.

Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привело к необходимости моделирования  или  проектирования электронных.

Раздел 2. Основы электроники

2.1. Полупроводниковые приборы

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы. Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.

Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы:

·         Линейный резистор - удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.

·         Варистор - сопротивление зависит от приложенного напряжения.

·         Терморезистор - сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).

·         Фоторезистор - сопротивление зависит от освещенности (излучения).

·         Тензорезистор - сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.

p – n  переход и его электрические свойства

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p. Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n-типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны. В полупроводниковых материалах p-типа эту же роль играют так называемые дырки, которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон, и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n-типа и p-типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ «n», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n-типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ «p», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n-область тесно соединена с p-областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где дырки иэлектроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p-типа частично следуют в область n-типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а n-типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов, и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p-области подключается положительный полюс источника тока, а к n-области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода.

Прямое включение. Когда осуществляется прямое включениеp-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область nрезультирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.

Обратное включение. Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области nбудут следовать в область p, а электроны – из области p в область n. Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок.

Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.

ВАХ p – n  перехода

Полупроводниковые диоды это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n - перехода.

Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.

Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.

Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.

Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ)прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1). 

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.

Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.

С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.

Универсальные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения - малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.

Варикапы - принцип действия основан на свойстве p-n-перехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем величины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении.

Светодиоды - это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.

Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.

Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды. 

Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды

Вопросы для самопроверки.

1.   На основе беспереходных полупроводников какие изготавливаются  резисторы? ____________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.   Линейный резистор это – ______________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________

3.   На какие группы делятся вещества по их электрическим свойствам?

___________________________________________________________

4.   Приведите примеры проводников?_________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________

5.   Что такое диэлектрики?________________________________________

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.   Какие бывают примеси? _______________________________________

7.   Донорная примесь это – _______________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________

8.   Акцепторная примесь это – ______________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________

9.   Расскажите про p – n  переход и его электрические свойства________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10.   Диод – это__________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________

11.   Выпрямительные диоды предназначены для_______________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12.   Универсальные диоды служат для_______________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2 Биполярные транзисторы

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность - таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рисунок ниже). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том же рисунки. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Рис. 4.

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная структура проводниковых диодов. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмитерным, а другой- коллекторным . Так же называются и p-n-переходы создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.

Принцип действия транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Рис. 5.

Как показано на рис., это три области – n-, р- и n. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)

Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс - эмиттер, дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное L_б, очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20-50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т.е. примерно 0,5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.

К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

Рис. 7.

Схемы включения транзисторов

а.) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором. ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.

Вопросы для самопроверки.

1.       Биполярный транзистор представляет собой ________________________  ______________________________________________________________________________________________________________________________

2.       В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов ____

_______________________________________________________________

3.       Трехслойная транзисторная структура создается по ___________________

______________________________________________________________________________________________________________________________

4.       Принцип действия транзистора заключается в том, что ________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.3 Тиристоры

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. 

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре .

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона. 

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

·        тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

·        диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

·        запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

·        симметричный тиристор или симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

·        быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

·        тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

·        оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 3. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) - симистор

Вопросы для самопроверки.

1.     Тиристор является _______________________________________________

_______________________________________________________________

2.     Сколько выводов имеет тиристор? _________________________________

_______________________________________________________________

3.     Назовите основные типы тиристоров _______________________________

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.     диодный тиристор (динистор) это _________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.     Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до ________ и токами до __________ при частоте не более ________.

2.4 Фотоэлектронные приборы

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой , где  — постоянная Планка, равная ,  — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого и 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой, то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

·        количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

·        максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаменталь ных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты  —красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при  фотоэффект не происходит при любой энергии света а если , то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергии . При вылете из металла энергия каждого электро на уменьшается на определенную величину, котору называют работой выхода ( ). Работа выхода это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: . Следовательно,

.

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, и которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Фоторезисторы обладают свойством изменять свою электропроводность под действием светового потока. Материалом для фоторезисторов служат селен, сернистый свинец, сернистый кадмий, сернистый висмут и другие полупроводники. Для изготовления фоторезистора на изоляционную пластину методом напыления наносят слой полупроводника, на который, в свою очередь, наносят слой металла (платины, золота) в виде двух гребенок.

Непосредственный контакт между гребенками отсутствует, в результате между зубцами гребенок оказывается слой светочувствительного полупроводника. При освещении слоя полупроводника увеличивается число электронов, переходящих в зону проводимости, увеличивается электропроводность, вследствие чего изменяется сопротивление между напыленными участками металла.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейные. На рис. 1 показаны устройство фоторезистора (вид а), схема его включения (вид б) и вольт-амперная характеристика (вид в). В условном обозначении фоторезисторов имеются буквы русского алфавита — ФС.

Рис.1. Фоторезистор

Фотодиоды — полупроводниковые приборы, в основу действия которых положено свойство электронно-дырочного перехода изменять обратное сопротивление под действием светового потока. На рис. 2 показаны устройство (вид а) и схема включения (вид б) фотодиода. Когда фотодиод не освещен, в цепи резистора R проходит обратный ток очень небольшой величины.

Рис.2. Фотодиод

При освещении фотодиода увеличивается число «дырок» в области полупроводника с электронной проводимостью. При включении напряжения эти «дырки» проходят через электронно-дырочный переход, вызывая увеличение тока в цепи нагрузки.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: режим А характеризуется отсутствием внешнего источника напряжения, фотодиод работает как вентильный фотоэлемент; режим В характеризуется работой фотодиода с внешним источником напряжения и называется фотодиодным. При освещении фотодиода его ток возрастает за счет фототока приблизительно пропорционально освещенности.

Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя р - n - переходами. Облучению подвергается область базы. Под действием света в базовой области образуются свободные носители зарядов —электроны и «дырки». «Дырки», направляясь к коллекторному переходу, проходят в область коллектора и вызывают увеличение обратного тока Ir. Если напряжение между базой и эмиттером неизменно, то работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Такой фототранзистор не имеет вывода базы, но имеет повышенную чувствительность по сравнению с фотодиодом. Вывод базы в фототранзисторах используют для создания смещения, необходимого для получения линейной характеристики при измерении малых световых сигналов.

Фотодиоды и фототранзисторы используют в качестве чувствительных элементов в системах телеконтроля, автоматических устройств, в аппаратуре считывания числового материала, фототелеграфии и т. д. Основной их недостаток — зависимость параметров от температуры.

Вопросы для самопроверки:

1.     Фотоэффект — это ______________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________

2.     К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся___

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.     Фотодиоды — это _______________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________

4.     Материалом для фоторезисторов служат ____________________________

_______________________________________________________________

5.     Фототранзисторы представляют собой ____________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6.     К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся _____

______________________________________________________________________________________________________________________________

7.     Теорию фотоэффекта создал ______________________________________

_______________________________________________________________

8.     Фотодиоды и фототранзисторы используют в качестве  ______________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9.     Фотодиоды могут работать в двух режимах: _________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

.

2.5 Электронные выпрямители и стабилизаторы напряжения

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток

·        Силовой трансформатор – преобразует переменное питающее напряжение (необходимое напряжение, гальваническая развязка).

·        Вентиль – обладает односторонней проводимостью и обеспечивает преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного направления).

·        Сглаживающий фильтр – преобразует выпрямленный ток в ток близкий по форме к постоянному току.

·        Нагрузка – активная, активно-индуктивная, активно-емкостная

Классификация выпрямителей:

·        по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

·        по типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

·        по величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

·        по назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей :

•      Номинальное напряжение постоянного тока;

•      Номинальный выпрямленный ток;

•      Напряжение сети Uсети;

•      Пульсация;

•      Частота пульсаций;

•      Коэффициент пульсаций;

•      Коэффициент фильтрации;

•      Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя

Устройство поддерживающее автоматический постоянное напряжение на нагрузке называется стабилизатором напряжения.

Каждый наш домашний электроприбор работает в условиях постоянного изменения напряжения. Если это изменение не превышает ±10 процентов от номинальных 220 вольт, то приборы демонстрируют стабильную и качественную работу.

Однако наша реальность такова, что это изменение может превышать эти 10 процентов. Такие ситуации всегда сказываются на «здоровье» каждого домашнего электроприбора.

Для того, чтобы это «здоровье» было крепче, каждому из нас следует использовать стабилизаторы напряжения. На сегодняшний день можно выделить много их видов. Однако в список наиболее эффективных и совершенных входит электронный стабилизатор.

Одним из важнейших признаков таких стабилизаторов является наличие блока электронных микросхем или микропроцессора, который занимается диагностикой входного напряжения, управлением силовыми ключами и другими элементами стабилизатора.

Другими словами именно благодаря его работе осуществляется управление процесса стабилизации напряжения. Работает микроконтроллер или электронная схема в автоматическом режиме.

Однако, если посмотреть на строение любого современного автоматического стабилизатора напряжения для дома или квартиры, то можно отметить, что в составе каждого стабилизатора есть такой элемент управления и, учитывая вышеупомянутой признак, все стабилизаторы можно назвать электронными.

Собственно всеми процессами, которые происходят в них, управляют электронные схемы.

Для того, чтобы выделить электронный стабилизатор напряжения в отдельный вид, назовем еще одну уникальную особенность. Ею является отсутствие каких-либо механических элементов, которые могут двигаться или перемещаться.

Как известно, в электромагнитных стабилизаторах таким элементом является сервопривод, в релейных - реле.

Электронный стабилизатор напряжения, который может быть как однофазным, так и трехфазным, не имеет никаких подвижных элементов. В предыдущих двух типах стабилизаторов сервопривод и реле используются для подключения определенных обмоток трансформатора.

В электронном приборе стабилизации напряжения также происходит подключение определенных обмоток. Однако для этого используются полупроводниковые ключи. Эти ключи могут быть симисторными или тиристорными.

Итак, к плюсам бытовых стабилизаторов напряжения, которые принадлежат к электронному типу, можно отнести:

·        Широкий рабочий диапазон входного напряжения.

·        Осуществление стабилизации тока с высокой степенью точности.

·        Высокая скорость реакции

·        Небольшие размеры. Это обусловлено отсутствием механических элементов.

·        Симисторы и тиристоры функционируют очень долго и тем самым продлевают срок годности стабилизатора. Он может составлять 10-15 лет.

·        Отсутствие механических элементов создало еще одно преимущество - бесшумную работу.

·        Некоторые модели можно использовать при минусовой температуре, а именно и при -40 градусов Цельсия.

Недостатки. Что касается слабых мест электронного стабилизатора напряжения, о которых отмечают в отзывах, то ими являются:

·        ступенчатый способ выравнивания тока (при подключении-отключении обмоток видно некоторое мерцание лампочек)

·        увеличение времени реакции в зависимости от количества ступеней. Чем их больше, тем дольше длится процесс стабилизации;

·        большая чувствительность к помехам в электросети;

·        небольшая перегрузочная способность (20-40 процентов в течение первых секунд);

·        сложная конструкция;

·        высокая цена;

·        во время очень сильной перегрузки симисторные и тиристорные ключи горят.

Вопросы для самопроверки:

1.     Выпрямитель (электрического тока) — это __________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________

2.     Назовите структуру выпрямителя __________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.     Что называется стабилизатором напряжения _______________________

______________________________________________________________________________________________________________________________

4.     Назовите основные характеристики выпрямителей: _________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5.     Назовите недостатки стабилизаторов ______________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.6 Расчет схем выпрямителей

Пример решения задачи для составления схемы, используя стандартный диод.

Дано:

Выполнить расчет и составить схемы однополупериодного, двухполупериодного со средней точкой, трехфазного выпрямителей и двухполупериодного с мостовой схемой.

Для всех типов выпрямителей определяем среднее значение выпрямленного тока:

Если расчетные средние значения выпрямленного тока и обратного напряжения:

 , то схемы выпрямителей имеют вид:

1.     Для однополупериодной схемы расчетные формулы:

         В данном случае , поэтому необходимо взять несколько параллельных ветвей, чтобы ток, протекающий через каждый диод был меньше либо равен допустимому значению, т.е. выполнялось условие .

Для этого находим n – число параллельных соединений диодов:

, поэтому диоды необходимо включить последовательно, чтобы обратное напряжение, падающее на диод было меньше или равно допустимому значению, т.е. выполнялось условие

Для этого находим m – число ветвей соединенных последовательно:

Задача для самопроверки:

Используя стандартный диод, выполнить расчет и составить схемы выпрямителей: однополупериодного, двухполупериодного со средней точкой, двухполумериодную мостовую и трехфазную.

Данные для своего варианта взять в таблице 4.1.

ТАБЛИЦА 4.1.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.     И.А.Данилов, П.М.Иванов «Общая электротехника с основами электроники»

(«высшая школа» Москва – 1978 г.).

2.     В.С.Пантюшина «Сборник задач по общей электротехнике («высшая школа» Москва – 1973 г.)

3.     Ф.Е.Евдокимов «Общая электротехника» (Москва «высшая школа» 1987 г.)

4.     Министерство высшего и среднего специального образования «Общая электротехника с основами электроники», «контрольные задания» (Москва «высшая школа» 1986 г.)

Скачано с www.znanio.ru