«Электротехнические» элементы цепей

Элемент с нелинейной ВАХ – вакуумная лампа - диод

Одно из основных

Структура энергетических уровней металлов, полупроводников и диэлектриков

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью,

Кристаллические решетки чистого и легированного кремния

In, Ga (3х-валентные)– акцепторные примеси, проводимость

Включение p-n перехода в простейшую электрическую цепь

При «обратном» включении образуется обедненная

Схемотехническое обозначение, типичный внешний вид и идеализированные ВАХ маломощных диодов

Мощные промышленные диоды и диодные сборки

1

2

3

1 – диод среднего напряжения (2000

ВАХ промышленного выпрямительного вентиля

Вентиль малой мощности

Вентиль большой мощности

Последовательное и параллельное соединение диодов

Выравнивание обратного напряжения при последовательном включении

Конструкция высоковольтного вентиля

Ck-конструктивная емкость, Cd-дополнительная емкость для выравнивания распределения напряжения.

Некоторые специальные типы диодов

Светодиод

Фотодиод

Стабилитрон

Варикап

Приемник света

Источник света

Стабилизатор напряжения

Элемент с управляемой емкостью

Простейший выпрямитель

Основные элементы:
трансформатор – определяет величину выходного напряжения, обеспечивает гальваническую

Двухполупериодный (Full wave) выпрямитель

Средняя величина выпрямленного напряжения Ud= 2Um/π

Схема со средней

Качество выпрямленного напряжения

Гармонический состав
однополупериодно и двухполупериодно выпрямленного напряжений промышленной частоты
(разложение в

Фильтрация выпрямленного напряжения – простейший емкостной фильтр

Относительная величина пульсаций выпрямленного напряжения

Однополупериодный

Типовая схема выпрямителя средней мощности (менее 1 кВт)

Отличается от рассмотренных выше

Практические рекомендации по выбору параметров элементов схемы

1. Максимальное рабочее напряжение диодов

Общая характеристика выпрямителей с емкостным и П-образным LC – фильтрами:
Выходное напряжение

Выпрямители с умножением напряжения

Схема удвоения напряжения

Схема учетверения напряжения

Область применения: источники высокого

Усилительные приборы

Биполярные транзисторы

Наиболее распространенный тип структуры – кремниевый n-p-n транзистор. p-n-p

Типовая структура биполярного транзистора, основные схемы включения

Схема включения транзистора с общей

Статические характеристики биполярного транзистора (схема с общим эмиттером)

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером и графический анализ его работы

Eк=IкRк+uкэ
Iк=ϕ(uкэ,Iб)

Уравнение

Усилительный режим работы транзистора

Ключевой режим работы транзистора

Схема замещения биполярного транзистора

Простейшая «малосигнальная» схема замещения биполярного транзистора и усилительного

Принципиальная схема и схема замещения каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Отличительная

Влияние температуры на работу транзистора и простейшие примеры термостабилизации режима работы

Полевые транзисторы (FET- field effected transistors)

Транзисторы с затвором на p-n –переходе

Пример

Каскад предварительного усиления на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и

Полевой транзистор с изолированным затвором

Встроенный канал (обогащенный) n- типа (а) и

Ключевые КМОП транзисторы с индуцированным каналом

Основное назначение – силовые импульсные устройства.

Обзор типов транзисторов

BIPOLAR TRANSISTORS

Field Effected Transistors with
insulated gate (MOSFET)

Insulated Gate

Tипичные статические характеристики IGBT

Vth – threshold value depending on channel

Усилители электрических сигналов

Линейные: в заданном диапазоне выходных напряжений обеспечивают связь входного

Линейные усилители

Усилители переменного напряжения (тока)

Усилители постоянного напряжения (тока) УПТ, операционные усилители

Простейший широкополосный усилитель переменного напряжения с элементами термостабилизации

R1, R2 – делитель

Многокаскадный усилитель переменного напряжения

Позволяет получить высокий коэффициент усиления, при этом частотный

Усилители мощности

Как правило, используются в качестве выходных каскадов многокаскадных усилителей. Основная

Режим усиления класса А

Мощность потребляемая от источника

Мощность в коллекторной нагрузке

Двухтактные (полумостовые) усилители класса В и АВ

Усилитель класса В с двухполярным

Двухтактный трансформаторный усилитель мощности класса АВ

Смещение рабочей точки транзисторов в сторону

Основные характеристики усилителей

КU = Uвх / Uвых

Коэффициент усиления по напряжению
Выходная мощность и максимальное

Переходная характеристика усилителя

Векторное представление частотной характеристики усилителя

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Пример организации обратной связи в усилителе

Коэффициент обратной связи

Специально организованная отрицательная обратная связь используется в усилителях для повышения качества

Операционные усилители : требования к ОУ
Коэффициент усиления должен составлять не менее

Применение операционных усилителей

Инвертирующее звено на операционном усилителе

При К→∞ u0→0

При iвх→0

Входное сопротивление

Неинвертирующее звено на операционном усилителе

При К→∞

Реальный Ku неинвертирующего звена может

Суммирующее звено на ОУ

В частном случае равенства всех входных резисторов

Интегрирующее звено на ОУ

Из 1 закона Кирхгофа

При нулевых начальных условиях

Схема сравнения (компаратор) на ОУ

ОУ в режиме компаратора вырабатывает логический сигнал

Электронные генераторы

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы импульсов

Генераторы периодических последовательностей импульсов

Генераторы моноимпульсов

СНЧ
0.01- 10Гц

НЧ
10Гц-1000кГц

ВЧ
1-100МГц

СВЧ
100МГц-5ГГц

Генераторы видео

Генераторы гармонических колебаний

Основной классификационный признак: тип используемой для возбуждения колебаний положительной

Пример генератора синусоидальных колебаний: LC – генератор с трансформаторной обратной связью.

Резонансная частота контура СкWk.
На резонансной частоте достигается максимум коэффициента усиления

Влияние обмотки

Результаты моделирования процессов в LC-генераторе в программе Tina-TI

Переходный процесс при

Пример
Kmax=10 γ=0.01 β=0.11
1/(Kmax+γ)*Kдин=1
Kдин=Kmax/(1+Kmax*γ)≈9.1

Результатом восстановления баланса амплитуд является появление искажений синусоиды

LC-генератор с автотрансформаторной обратной связью (индуктивная трехточка)

Задающий генератор на полевом транзисторе

Согласующий

Регулировка частоты генератора с помощью варикапа

Зависимость ёмкости варикапа от обратного напряжения

Ёмкостная

 Типичные параметры для кварца с частотой 4 МГц: 
Добротность Q=25000
Lк = 100 мГн, Cк=0,015

Пример RC-генератора: Генератор с мостом Вина на операционном усилителе

Если R1=R2=R; C1=C2=C

Результаты моделирования процессов в RC-генераторе в программе Tina-TI

Переходный процесс при

Коррекция формы выходного напряжения генератора с помощью стабилитронов

Вольт-амперные характеристики стабилитронов

Генераторы импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы импульсов специальной формы

Мультивибраторы

Блокинг-генераторы

Генераторы ступенчатого напряжения

Генераторы линейно изменяющихся

Классический мультивибратор на дискретных элементах

Может рассматриваться как двухкаскадный усилитель со 100%

Мультивибратор с улучшенной формой импульса

Мультивибратор на ОУ

R2,R1 – положительная о.с. RC – времязадающая отрицательная о.с.
Крутизна

Мультивибратор на логическом элементе

Логический «0» 0-1В

Логическая «1» 3.5-5 В

Порог срабатывания 0.5-0.7

Для получения стабильной частоты вместо С используется кварцевый резонатор

Блокинг-генератор

В основу работы положен принцип накопления энергии в индуктивности с последующим

Автоколебательный обратноходовой преобразователь – блокинг генератор

За формирование длительности импульса отвечает постоянная

Компьютерная модель блокинг генератора

Напряжения на коллекторе и базе

Токи в эмиттере, катушке

Работа ферромагнитных элементов блокинг-генератора

типовые ферритовые сердечники

Импульсный трансформатор на тороидальном ферритовом сердечнике

Униполярное намагничивание сердечника без зазора

Влияние зазора на петлю гистерезиса