Контрольная работа по "Основам электроники"

                                                           Задание 1

1.Начертите "слепую" схему структурного изображения  полу -проводникового диода с  р-n переходом и подключенным к нему источником внешнего напряжения.

Рисунок 1- Структурное изображение полупроводникового  диода.

2. Нанесите на схему заданный носитель заряда с указанием направления его перемещения.
3. Обозначьте на рисунке проводимость обеих областей диода (р или n).
4. Укажите полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителя заряда.
5. Ответьте, в каком направлении включен р-n переход (в прямом или обратном) диода.
6. Изобразите схему включения диода с использованием его условного обозначения.
7. Приведите часть вольтамперной характеристики, соответствующей полученному включению диода для двух разных температур.

                          

Вариант№2: Неосновные носители заряда «+», направление перемещения носителей заряда слева направо

 

                                         Решение :                      

  1)Неосновными носителями заряда являются «дырки», направление их перемещения слева направо, следовательно получим p-n переход, включенный в прямом направлении, так как «дырки», имеющие положительный заряд, будут двигаться в ту область, где подключен отрицательный полюс источника, а электроны,имеющие отрицательный заряд, в область где подключен положительный полюс источника (рис.2).

2)В соответствии с включением p-n перехода в прямом направлении, приведём часть соответствующей вольт-амперной характеристики для двух разных температур (рис.3):

При повышении температуры усиливается  генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей  и проводимость растёт. Как видно  из рисунка, при повышении температуры, прямой ток возрастает.

 

                                                             

                                       

 

 

Рис.2 - Структурное изображение полупроводникового  диода с р-n переходом и источником питания. Схема включения.

 

 

                                             

Рис.3- вольт-амперная характеристика, в соответствии с прямым включением диода, для двух разных температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2

Описать принцип действия, внутреннею структуру, условное графическое  обозначение, ВАХ, область применение электронного прибора.

                                                         Вариант№2

                 IGBT – биполярный транзистор с изолированным затвором

 

      Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком

     Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 1а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+ -слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обьединенной области эпитаксиального n–-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.1. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

 

Усилительные  свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной , которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП транзисторами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ВАХ характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 2

Рис. 2. Семейство выходных вольт-амперных характеристик IGBT-транзистора

 

На рис.3 приведено  условно-графическое обозначение IGBT.

                                                

                                                              

Рис. 3. Условное обозначение IGBT Рис. 3.1. Схема соединения транзисторов в

                                                                                       единой структуре IGBT    

 

 

Основное  применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом  транспорте.

IGBT применяют  при работе с высокими напряжениями (>1000 В), высокой температурой (>100 °C) и высокой выходной мощностью (>5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота <50 кГц).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание  3

Произвести расчет выпрямителя, собранного на полупроводниковых диодах, который предполагается использовать для питания постоянным током  потребителя мощностью Р   при  напряжении Uo. Схема выпрямителя, тип диода и его параметры указаны в таблице вариантов, С учетом исходных данных и произведённого расчета изобразите схему полупроводникового выпрямителя и опишите его принцип действия.

 

Таблица 1 - Исходные данные для задания 3

Последняя цифра шифра учащегося	Ро , Вт	Uо , В	Схема выпрямителя	Тип диода	Параметры диода
					Iдоп , А	Uобр , В
2	300	20	ДВ(м)	Д305	6	50

    

ДВ(м) - однофазный двухполупериодный  мостовой выпрямитель;

 

                                   Решение:

1.Определяем ток потребителя  по формуле :

                      

2.Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий  полупериод для двухполупериодной  схемы: 

                                                    

 

3.Для двухполупериодного  выпрямителя должны выполняться условия:

                 

                                                       и

В данном случае первое условие  выполняется так как 50В>31.4В, т.е.   ,

Второе условие не выполняется т.к. 6А<7.5, т.е.

 

4.Для того, чтобы выполнялось  условие    необходимо параллельно соединить по 2 диода, тогда: А>7.5А т.е.

 

 

 

       

 

 

5.Схема выпрямителя:

Рис.1.Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя.

 

 

На рис, 1 изображена схема  однофазного мостового выпрямителя  с активной нагрузкой Rн. На вход выпрямителя  — первичную обмотку трансформатора — подано переменное напряжение Ui = Um1 sin wt. К выходу выпрямителя подключена нагрузка — резистор Rн напряжение на котором должно быть постоянным.

 

Напряжение на вторичной  обмотке трансформатора u2, так же как u1, изменяется по синусоидальному  закону:

 

где К—коэффициент трансформации трансформатора.

 

 

В пределах 0 < wt <. π, 2π < wt < Зπ и т. д. при положительном  напряжении u2 (полярность u2 > 0 показана на рис. 1,  знаками «плюс» и «минус» без скобок) к диодам V1,V1-1 и V3,V3-1  приложено прямое напряжение, и они открыты, к диодам( V2,V2-1) и (V4,V4-1) приложено обратное напряжение, и они закрыты.

 Ток проходит по  контуру w2 —( V1,V1-1)  — Rн — (V3,V3-1).

 

 

В пределах π < ωt < 2π, Зπ < ωt < 4π и т. д. и2 < 0 (полярность u2 < 0 показана на рис.1 в скобках), прямое напряжение приложено к диодам  и ( V2,V2-1) и   (V4,V4-1) а обратное — к диодам( V1,V1-1)    и(V3,V3-1)  , и ток будет протекать по контуру ω2—( V2,V2-1) — Rн — (V4,V4-1).

Ток i через нагрузку и  при u2 > 0, и при u2 < 0 протекает в одном и том же направлении Значит, выпрямитель преобразует переменное напряжение u1, поданное на вход, в напряжение u на выходе, только одного знака.

Рис2. временные диаграммы токов и напряжений в схеме выпрямителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       Задание 4

Выполнить графоаналитический  расчет транзисторного усилителя на биполярном  транзисторе,   включенном  в режиме  усиления  по  схеме  «общий  эмиттер».   

  Последовательность выполнения задания 4:

1. Начертить  схему  усилительного  каскада  на  заданном  транзисторе. 
2. Указать  назначение  элементов.
3. Перечертить  выходные  характеристики  транзистора.
4. Построить  нагрузочную  прямую  по  постоянному  току.
5. Определить   значения  коллекторного  тока  и  напряжения   в  режиме  покоя  I ко,  U кэо.
6. По  входной  характеристике  определить  величину  напряжения  смещения  Uбэо
7. Используя  входную  характеристику,  определить  и  зарисовать  возможные  для  входной  цепи  сигналы  Uвх~  и  Iвх~. 
8. Используя  выходные  характеристики,  определить  и  зарисовать  возможные   для   выходной  цепи  сигналы  Uвых~  и  Iвых~.
9. Определить  коэффициент  усиления  VT  по  току  h21э » b  по  выходным  характеристикам.
10. Описать принцип эмиттерной температурной стабилизации. Рассчитать  цепочку  эмиттерной  температурной  стабилизации  R э,  С э.
11. Рассчитать  сопротивления  делителя  напряжения  R1,  R2.
12. Объяснить,  как изменится  сигнал  на  выходе  усилителя  при   изменении параметра элемента схемы (согласно варианту по таблице 4).

 

            Таблица 1– Исходные данные для расчета транзисторного усилителя 

Нижняя частота  усиливаемого  диапазона  частот, Гц	200
Питание схемы  осуществляется  от  источника  постоянного  напряжения, Е к, В	40
Коллекторная  нагрузка -  резистор,  R к, Ом	1000
Ток  базы  в  режиме  покоя, I б о, мА	1,5
Объяснить изменение  параметров схемы при …	¯R2

Форма  входного  сигнала   -  синусоидальная.

Применяется  эмиттерная  температурная  стабилизация. 

Для  подачи  и  снятия  сигнала  используются   разделительные  конденсаторы  Ср1 и  Ср2.   

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             

                                                    

 

 

 

                                                           Решение

1 Схема усилительного каскада  на  заданном  транзисторе.

                                                                                                

                                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1  -Схема включения однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе

2. Назначение  элементов  в  схеме

VT - биполярный  транзистор  p-n-p  типа,  включен по  схеме «общий  эмиттер»: 

входной  сигнал  поступает на  базу  относительно  эмиттера; 

выходной  сигнал  снимается с коллектора  относительно  эмиттера.

VT  работает  в усилительном  режиме  класса «А».

R1, R2 -  делитель  напряжения  для подачи  Uсм    от  Епит    на  базу  транзистора,  что  обеспечит  режим  работы  VT  класса  «А».

Rк – коллекторная   нагрузка   VT1.

Rэ,Cэ -  цепочка эмиттерной  температурной стабилизации.

Е пит  -  источник  питания

Ср1 – разделительный  конденсатор,  разделяет усилитель и источник  сигнала по  постоянному току  и соединяет по  переменному.

Ср2 – разделительный  конденсатор,  разделяет  усилитель  и  вход следующего  каскада   аналогично  Ср1.

3  Построение  нагрузочной   прямой по выходной ВАХ схемы

ведётся  по  2-м  точкам,  с  использованием  уравнения  динамического  режима  выходной 

цепи  транзистора:

                                                                 Uкэ = Епит – Iк ×Rк;

Точка  «А»:  Транзистор  находится  в  режиме  «отсечки»,  т.е.  VT- закрыт. 

Сопротивление закрытого  транзистора  R_VT » ,  а ток коллектора  Iк » 0. 

Подставляя  это  значение  тока   в уравнение ,  получаем   Uкэ  »  Епит.

Таким  образом,  координаты  точки  «А»:  Iк » 0;  Uкэ  »  Епит;  

Для  данного  задания:  координаты  точки  «А»:   Iк » 0;  Uкэ » 40В;

 

 

  Точка  «В»:   Транзистор  находится  в  режиме  «насыщения», 

т.е.  R _VT » 0,   а   ток коллектора  максимален  и равен:   

                                                      Iкн

Подставляя  это  значение  тока  в  уравнение  (1),   получаем  Uкэ » 0;    

Таким  образом, координаты  точки  «В»:  Iкн ; Uкэ » 0; 

Для  данного  задания:  координаты  точки  «В»:  Iкн » 40мА;   Uкэ » 0;

Соединяем  точку  «А»  и  точку  «В»    прямой  линией,  которая  называется  нагрузочной  прямой  или прямой  динамического  режима.

Выбираем  рабочую  точку  (р.т.)    на  пересечении нагрузочной прямой  с выходной  характеристикой  для  Iбо.  В  нашем  случае  рабочую  точку  отмечаем  на  выходной  характеристике  транзистора  для  Iбо = 1500мкА.

 

4   Графическое   определение  I ко  и U кэо транзистора в режиме  покоя.

Если  рабочая  точка  (Р.Т.)  выбрана  на  семействе  выходных  характеристик,  то  режим  работы  транзистора  по  постоянному  току  определён  координатами  Р.Т.  на   характеристиках  VT.

Координаты    Р.T.   на   выходных   характеристиках   имеют   значения:    Uкэо = 18В;    Iко = 22мА

Координаты    Р.T.    на  входной характеристике   имеют  значения:  Uбэо = 0,6В;     Iбо =1,5м А

 

5  Графическое   определение   I вх~  и U вх~    

      Если  определён  режим  VT по  постоянному току  для входной  цепи,  то  по  входной статической  характеристике  графически  можно  определить  амплитуду  входного  сигнала  (Uвхм~),  которую следует  подавать  на  вход  усилителя..

 При   этом  нельзя  заходить  в   нелинейные  участки  характеристики,  потому  что  появятся  искажения  формы   сигнала.

В  нашем  случае  Uвх~ = 200мВ;      Iвх~ = 0,5мА

6  Графическое   определение I вых~  и U вых~     .

Если  определён  режим VT  по  постоянному току  для выходной  цепи,  то  по   выходным статическим  характеристикам  графически  можно  определить  амплитуду  выходного сигнала  (Uвыхм ~).

В  нашем  случае  U вых ~ = 7В;     I вых ~  = 7мА 

Таким  образом,  в результате  графического  расчёта усилителя на  биполярном  VT.    

Для выходной  цепи      определим:      Uкэо=18В;  Iко=22мА;   

                                       …………………Uвых=7В ~; Iвых=7мА~;

 

Для  входной  цепи    определим:     Uбэо=0.6В;  Iбо=1,5мА;                

                                      ………………..Uвх=200мВ~; Iвх=0.5мА~;

Рис.2 Графо-аналитический расчёт усилителя на биполярном транзисторе.Выходная характеристика.

Рис3 Рис.3.Графо-аналитический расчёт усилителя на биполярном транзисторе.Входная характеристика.

 

7 Определение  коэффициента  усиления  VT  по  току  h21э » b  по  выходным  характеристикам.

Для  этого  на  выходных  характеристиках  следует  задаться  LIб  и  для  этого  LIб  определить   коэффициент  усиления  VT:   b =

- это  изменение  какой-то  величины.Возьмём:  ;   Проекция  на  вертикальную  ось    даст  = 8мА; Для  нашего  случая   b = ,  что соответствует справочным  данным  для  VT       типа  МП25

8 Принцип  работы  эмиттерной  температурной  стабилизации  за  счёт  цепочки  RэCэ:

Пусть  температура  окружающей  среды  увеличится  t°  ­,  все  токи  транзистора  ­, значит  увеличится  ток эмиттера  Iэ­,  падение напряжения  на  Rэ­  и напряжение  на  эмиттере Uэ­.  При этом смещение транзистора уменьшится,  так как ¯Uсм = Uб - Uэ­,  и значит  VT  призакроется,  т.е.  все  токи  транзистора  уменьшатся  ¯.     

Таким  образом,   ­ токов  транзистора (за  счёт   включения сопротивления Rэ)  приведёт  к       ¯ токов.  В  схеме  действует  отрицательная  обратная  связь (ООС).

Известно,  что  для  стабилизации  работы  VT  в   Dt °  нужна ООС только  по  постоянному  току  (-I).

Однако,  установка Rэ  приведёт  к  появлению  ООС  и  по  переменному  току  (~I),  т.е.  по  сигналу.  Чтобы ООС не  действовала по сигналу,  и коэффициент  усиления  транзистора  не  уменьшался,  Rэ  шунтируют  Сэ большого  номинала.   

                                                        13

 При  этом  общее   сопротивление цепочки  RэСэ   становится  Хсэ  »  0,  и ООС по  сигналу не  работает.   

 

 

 

 

 

9  Расчёт  цепочки   эмиттерной  температурной  стабилизации  Rэ,Сэ

Расчёт  величины  сопротивления  резистора    ведётся по  постоянному току, 

т.к.  по  переменному  току  сопротивление  шунтируется  ёмкостью

Сэ большого номинала. Обычно  принимают

 U_RЭ = 0,1Епит.     

U_RЭ = 0,1× 40 = 4В; 

Так  как  U_RЭ = I _Э×Rэ,  то 

R_Э =    

   Rэ = » 200 Ом

 

 

Расчёт  величины  ёмкости  конденсатора  Cэ  ведут  из  условия,  что  сопротивление  этого  конденсатора   по  ~ I   должно  быть,  как  минимум,  в 10  раз меньше,  чем  сопротивление  резистора  Rэ.  То  есть  Хсэ = 0,1Rэ;

    

Отсюда

  Сэ =     

 

 

10 Рассчитать  сопротивления   делителя  напряжения  R1,  R2

 

Номиналы  этих  резисторов  определят  величину  напряжения  Uбо, поступающего  на  базу  VT.  Это напряжение  не  должно  зависеть  от  температуры.   

Так  как  через  верхнее  плечо  делителя  R1  протекает ток Iдел+ Iбо,  а  ток  Iбо  зависит  от  температуры,  то,  чтобы  устранить  его  влияние  на  ток  делителя,  принимают  

 I дел = 10 Iбо.       

Для  нашего  случая:  I дел = 10×1,5 = 15мА;

 

Определим  сопротивление  R2,  через который протекает только  ток  делителя.

     

                            

 

Определим  сопротивление  R1,  через которое протекает  ток  Iдел+  Iбо.

 

 

 

                                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 5

Привести схему электронного устройства. Описать принцип действия схемы, область применение электронного устройства, характеристики.

 

                 Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

 

     Схема дифференциального усилителя представлена на рис.1.

Основная  идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании  в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к  тому, что выходное напряжение u_{вых..диф} очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением u_вх..диф.

Усилитель называют дифференциальным потому, что u_{вых..диф} пропорционально напряжению u_вх..диф  (пропорционально разности напряжений u_вх.1 и u_вх.2 ). Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказывают слабое влияние на величину u_{вых..диф .}

      Рассмотрим процессы, происходящие  в усилителе при поступлении  на его вход положительного  сигнала u_{вх..диф.} При увеличении этого сигнала, во-первых, увеличивается ток базы и ток коллектора транзистора Т_{2 .} Это приводит к увеличению напряжения u_RK2 и уменьшению напряжения u_K2.Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора Т₁.Это приводит к уменьшению напряжения u_RK1 и увеличению напряжения u_K1. В результате напряжение u_{вых..диф} увеличивается. Если напряжение u_вх..диф слишком велико, то транзистор Т₂  может войти в режим насыщения, а транзистор Т₁ - в режим отсечки. При отрицательном напряжении u_вх..диф транзисторы меняются ролями.

Рис.1. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

 

Дифференциальный усилитель применяют в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.

 

Так же дифференциальные усилители используются всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования.