Автоматиканың элементтері бойынша дәрістер
Кіріспе 3
1. Жартылай өткізгіш аспаптар 4
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі 4
1.2 Жартылай өткізгші диодтар 9
1.3 Биполярлы транзисторлар 12
1.4 Тиристорлар 17
2. Электронды түзеткіштер 19
2.1 Түзеткіштер туралы жалпы мәліметтер 19
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш 20
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш 21
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіштер 25
2.5 Бір фазалы басқарылатын түзеткіш 25
2.6 Тегістеуші сүзгілер 29
2.7 Кернеу тұрлауландырғыштар 31
2.8 Диодтарда және транзисторларда орындалатын қисынды элементтер 33
3. Күшейткіштер 39
3.1 Жалпы мәліметтер және күшейткіштерді топтастыру 39
3.2 Транзисторлық күшейту каскадтары 40
3.3 Қуат күшейту каскадтары 45
3.4 Кері байланысы бар күшейткіштер 50
3.5 Операциялық күшейткіштер 52
1. Жартылай өткізгіш аспаптар 4
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі 4
1.2 Жартылай өткізгші диодтар 9
1.3 Биполярлы транзисторлар 12
1.4 Тиристорлар 17
2. Электронды түзеткіштер 19
2.1 Түзеткіштер туралы жалпы мәліметтер 19
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш 20
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш 21
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіштер 25
2.5 Бір фазалы басқарылатын түзеткіш 25
2.6 Тегістеуші сүзгілер 29
2.7 Кернеу тұрлауландырғыштар 31
2.8 Диодтарда және транзисторларда орындалатын қисынды элементтер 33
3. Күшейткіштер 39
3.1 Жалпы мәліметтер және күшейткіштерді топтастыру 39
3.2 Транзисторлық күшейту каскадтары 40
3.3 Қуат күшейту каскадтары 45
3.4 Кері байланысы бар күшейткіштер 50
3.5 Операциялық күшейткіштер 52
Электр өткізгіштік бойынша жартылай өткізгіштер металлдар және диэлектриктердің арасында жатады.
Атомның электрондары белгілі энергия мәндеріне ие болады немесе белгілі (рұқсат етілген) энергетикалық деңгейлерде орналасады (1.1 сурет). Оқшауланған атомда энергетикалық деңгейлердің шекті саны бар, әрбір деңгей екі электрондардан артық болмайды.
Төменгі деңгейлердегі электрондар атоммен қатты байланысқан. Электрон орналасқан деңгейдің энергиясы үлкейген сайын байланыс әлсірейді. Электрондардың энергияларын үлкейтетін сыртқы әсерлер жоқ кезде, атом қоздырылмаған жайда болады. Бұл жағдайда барлық төменгі энергетикалық деңгейлер электрондармен толтырылған, ал жоғары деңгейлер бос. Сыртқы әсерлер бар кезде (фотондар, электр немесе магнит өріс) атомның электрондары қосымша энергияға ие болады да жоғары энергетикалық деңгейге өтеді (атом қоздырылады) немесе атомнан босанып, еркін электрон болады (атомның иондануы). Сыртқы әсерге жоғары энергетикалық деңгейдегі электрондар ұшырайды.
Температура Т=0 К кезде әрбір атомның сыртқы қабығындағы төрт валентті электрон көрші атомдармен коваленттік байланысқа қатынасады. Әрбір екі электрон екі атомның құрамында болады және барлық төрт электрон көршілес атомдармен коваленттік байланыста болады, ол байланыс екі параллельді сызықпен көрсетілген (1.4, а –сурет).
Еркін электронның құрылуы атомдар арасындағы коваленттік байланыстың үзілуіне әкеледі және үзіліс орнында кемтік пайда болады. Коваленттік байланыста электронның жоқтығы оның орнында болымды заряд пайдалы болғандай сияқты.
Температура абсолюттік нөлден асқанда көпшілік электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін. Бұл жағдайда еркін аймақта электрондардың ni шоғырлануы және оған тең кемтіктердің pi шоғырлануы валенттік аймақта құрылады (i индекс қоспа жоқ жартылай өткізгішті көрсетеді, ni және pi жартылай өткізгіштегі заряд тасушылардың өздік шоғырлану деп аталады).
Қоспаны еңгізген кезде жартылай өткізгіште электронды немесе кемтікті электр өткізгіш күйінің артықшылығы болады және электр өткізгіштігі өседі. Бұған байланысты электронды (n-түрлі) және кемтікті (p-түрлі) жартылай өткізгіштерді айырады.
n-түрлі электр өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште тек еркін электронды құратын қоспаны еңгізеді. Еңгізетін қоспа электрондарды жабдықтаушы болғандықтан оны донорлық деп атайды. Германиймен кремнийдің донорлық қоспа ретінде элементтердің периодикалық жүйенің V топтың элементтерін (сурьма, фосфор) қолданады. Олардың бес валентті электрондары бар.
Атомның электрондары белгілі энергия мәндеріне ие болады немесе белгілі (рұқсат етілген) энергетикалық деңгейлерде орналасады (1.1 сурет). Оқшауланған атомда энергетикалық деңгейлердің шекті саны бар, әрбір деңгей екі электрондардан артық болмайды.
Төменгі деңгейлердегі электрондар атоммен қатты байланысқан. Электрон орналасқан деңгейдің энергиясы үлкейген сайын байланыс әлсірейді. Электрондардың энергияларын үлкейтетін сыртқы әсерлер жоқ кезде, атом қоздырылмаған жайда болады. Бұл жағдайда барлық төменгі энергетикалық деңгейлер электрондармен толтырылған, ал жоғары деңгейлер бос. Сыртқы әсерлер бар кезде (фотондар, электр немесе магнит өріс) атомның электрондары қосымша энергияға ие болады да жоғары энергетикалық деңгейге өтеді (атом қоздырылады) немесе атомнан босанып, еркін электрон болады (атомның иондануы). Сыртқы әсерге жоғары энергетикалық деңгейдегі электрондар ұшырайды.
Температура Т=0 К кезде әрбір атомның сыртқы қабығындағы төрт валентті электрон көрші атомдармен коваленттік байланысқа қатынасады. Әрбір екі электрон екі атомның құрамында болады және барлық төрт электрон көршілес атомдармен коваленттік байланыста болады, ол байланыс екі параллельді сызықпен көрсетілген (1.4, а –сурет).
Еркін электронның құрылуы атомдар арасындағы коваленттік байланыстың үзілуіне әкеледі және үзіліс орнында кемтік пайда болады. Коваленттік байланыста электронның жоқтығы оның орнында болымды заряд пайдалы болғандай сияқты.
Температура абсолюттік нөлден асқанда көпшілік электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін. Бұл жағдайда еркін аймақта электрондардың ni шоғырлануы және оған тең кемтіктердің pi шоғырлануы валенттік аймақта құрылады (i индекс қоспа жоқ жартылай өткізгішті көрсетеді, ni және pi жартылай өткізгіштегі заряд тасушылардың өздік шоғырлану деп аталады).
Қоспаны еңгізген кезде жартылай өткізгіште электронды немесе кемтікті электр өткізгіш күйінің артықшылығы болады және электр өткізгіштігі өседі. Бұған байланысты электронды (n-түрлі) және кемтікті (p-түрлі) жартылай өткізгіштерді айырады.
n-түрлі электр өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште тек еркін электронды құратын қоспаны еңгізеді. Еңгізетін қоспа электрондарды жабдықтаушы болғандықтан оны донорлық деп атайды. Германиймен кремнийдің донорлық қоспа ретінде элементтердің периодикалық жүйенің V топтың элементтерін (сурьма, фосфор) қолданады. Олардың бес валентті электрондары бар.
Мазмұны
Кіріспе 3
1. жартылай өткізгіш аспаптар 4
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі 4
1.2 Жартылай өткізгші диодтар 9
1.3 Биполярлы транзисторлар 12
1.4 Тиристорлар 17
2. Электронды түзеткіштер 19
2.1 Түзеткіштер туралы жалпы мәліметтер 19
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш 20
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш 21
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіштер 25
2.5 Бір фазалы басқарылатын түзеткіш 25
2.6 Тегістеуші сүзгілер 29
2.7 Кернеу тұрлауландырғыштар 31
2.8 Диодтарда және транзисторларда орындалатын қисынды элементтер 33
3. Күшейткіштер 39
3.1 Жалпы мәліметтер және күшейткіштерді топтастыру 39
3.2 Транзисторлық күшейту каскадтары 40
3.3 Қуат күшейту каскадтары 45
3.4 Кері байланысы бар күшейткіштер 50
3.5 Операциялық күшейткіштер 52
Бірінші тарау
Жартылай өткізгіш аспаптар
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Электр өткізгіштік бойынша жартылай өткізгіштер металлдар және диэлектриктердің арасында жатады.
Атомның электрондары белгілі энергия мәндеріне ие болады немесе белгілі (рұқсат етілген) энергетикалық деңгейлерде орналасады (1.1 сурет). Оқшауланған атомда энергетикалық деңгейлердің шекті саны бар, әрбір деңгей екі электрондардан артық болмайды.
1.1 сурет - Оқшауланған атомның энергетикалық диаграммасы
Төменгі деңгейлердегі электрондар атоммен қатты байланысқан. Электрон орналасқан деңгейдің энергиясы үлкейген сайын байланыс әлсірейді. Электрондардың энергияларын үлкейтетін сыртқы әсерлер жоқ кезде, атом қоздырылмаған жайда болады. Бұл жағдайда барлық төменгі энергетикалық деңгейлер электрондармен толтырылған, ал жоғары деңгейлер бос. Сыртқы әсерлер бар кезде (фотондар, электр немесе магнит өріс) атомның электрондары қосымша энергияға ие болады да жоғары энергетикалық деңгейге өтеді (атом қоздырылады) немесе атомнан босанып, еркін электрон болады (атомның иондануы). Сыртқы әсерге жоғары энергетикалық деңгейдегі электрондар ұшырайды.
Жақын орналасқан біртекті атомдардың тобының энергетикалық диаграммасы, оқшауланған атомға қарай, өзгереді (1.2 сурет).
1.2 сурет - Жақын орналасқан атом тобының диаграммасы.
Атомдардың бір-бірімен өзара әрекет себебімен көршілес атомдардың электрондарының рұқсат етілген энергия деңгейлері ығысып жақын орналасқан ығысқан энергия деңгейлерін құрады. Сонымен, рұқсат етілген энергия деңгейлерінің аймағы құрылады, ортасында рұқсат етілмеген аймақтар құрылады.
Қоспасы жоқ (таза) жартылай өткізгіштегі заряд тасушылар
Металлдарда (1.3, а) - сурет) энергетикалық диаграмма рұқсат етілген энергия мәндердің үздіксіз спектрі болады, ал жартылай өткізгіштерде және диэлектрлерде - үздікті (1.3 б),в) - сурет).
а) б) в)
1.3 сурет - Металлдың (а), жартылай өткізгіштік (б), диэлектриктің (в) энергетикалық диаграммалары
Жартылай өткізгіштерде және диэлектрлерде энергияның рұқсат етілген мәндерінің аймақтары энергияның рұқсат етілмеген аймағымен (р.е.) бөлінген. Энергетикалық диаграммаларда энергияның рұқсат етілген, екі тән аймақтары бар: төменгі (толтырылған) немесе валенттік аймақты және жоғарғы (еркін) немесе өткізгіштік аймақты. Электрондарға сыртқы әсер жоқ кезде (электр және магнит өрістер, жарықтың кванттарының сәулеленуі) және температура Т = 0 кезде төменгі аймақтың энергия теңгейлері электронмен толтырылған, жоғарғы аймақта электрондар жоқ.
Металлдарда өткізгіштік аймақ валенттік аймаққа тікелей қосылады (1.3, а - сурет). Валенттік аймақтағы электрондарға шамалы энергияны қосқанда олар өткізгіштік аймаққа өтеді. Сондықтан, тек электрөріс әсер еткен кезде металда атоммен байланыспаған көп еркін электрондар болады, ал олар жоғары электр өткізгіштікті қамтамасыз етеді.
Жартылай өткізгіштерде (1.3, б - сурет) еркін аймақ валенттік аймақтан р.е. рұқсат етілмеген аймақпен бөлінген. р.е. мөлшер (электрон-вольт) валенттік аймақтың жоғарғы энергетикалық деңгейдегі орналасқан электронға қандай энергияны беру керек, оны өткізгіштік аймақтың төменгі деңгейге көшіру үшін электрондардың рұқсат етілмеген аймақтан асып кету қабілеттілік сыртқы жағдайларға тәуелді. Әсіресе кристаллдың температурасының әсер етуі едәуір. Температура өскенде жылулық кванттардың (фотондардың) энергиялары үлкейеді және рұқсат етілмеген аймақтан өтуге жеткілікті энергияны алатын электрондардың саны көбейеді. Сол себептен, температура өскен сайын таза жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі өседі.
Кристалды денелердің рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі 3 эВ аспайды.
Диэлектриктердің рұқсат етілмеген аймағы 6 - 10 эВ дейін өседі (1.3, в -сурет). Сол себептен, олардың өткізгіштігі шамалы және өткізгіштік температура 400-800 0С немесе күшті электр өрістер кезде (тесілу) байқала бастайды.
Энергетикалық диаграммада рұқсат етілмеген аймақтардың болуы металдарға қарағанда жартылай өткізгіштерде заряд тасушылардың құруларының ерекшеліктерін қамтамасыз етеді. Жартылай өткізгіштік аспаптарды құру кезде ең кең қолданатын германий және кремний элементтердің бұл ерекшеліктерін қарап өтейік.
Германий және кремний элементтердің периодикалық жүйесінің IV тобына жатады. Олардың атомдарының сыртқы қабығында төрт валенттік электрон орналасқан. Германийдің рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі 0,72 эВ, кремнийдің - 1,12 эВ. Мысал ретінде германийді алайық. Оның кристалды торының үлгісі 1.4, а - сурет ретінде келтірілген.
а) б)
1.4 сурет - Жартылай өткізгіште еркін электрон және кемтік пайда болу (а) және оны энергетикалқ диаграммада көрсету (б)
Температура Т=0 К кезде әрбір атомның сыртқы қабығындағы төрт валентті электрон көрші атомдармен коваленттік байланысқа қатынасады. Әрбір екі электрон екі атомның құрамында болады және барлық төрт электрон көршілес атомдармен коваленттік байланыста болады, ол байланыс екі параллельді сызықпен көрсетілген (1.4, а - сурет).
Еркін электронның құрылуы атомдар арасындағы коваленттік байланыстың үзілуіне әкеледі және үзіліс орнында кемтік пайда болады. Коваленттік байланыста электронның жоқтығы оның орнында болымды заряд пайдалы болғандай сияқты.
Температура абсолюттік нөлден асқанда көпшілік электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін. Бұл жағдайда еркін аймақта электрондардың ni шоғырлануы және оған тең кемтіктердің pi шоғырлануы валенттік аймақта құрылады (i индекс қоспа жоқ жартылай өткізгішті көрсетеді, ni және pi жартылай өткізгіштегі заряд тасушылардың өздік шоғырлану деп аталады).
Заряд тасушылардың шоғырлануы кристалдың температурасына, рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігіне тәуелді, яғни мына тәуелділікпен белгіленеді
ni = pi = (1.1)
А - кристаллдың түріне тәуелді коэффициент;
К - ДжК - Больцманның тұрақтысы;
Т - абсолюттік температура.
(1.1) көріністен шығады: жартылай өткізгіште заряд тасушылардың шоғырлануы және оның электр өткізгіштігі температура көтерілгенде өседі және рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі өскенде төмендейді.
Электрондар және кемтіктер жылжымалы бөліктер. Жартылай өткізгіште көлемі бар элемент болғанда бір уақытта екі процесс өтеді: заряд тасушылардың жылу генерациясы және электрондар өткізгіштік аймақтан валенттік аймақтың бос деңгейлеріне қайту арқылы электрондармен кемтіктердің жоғалуы (заряд тасушылардың рекомбинациясы). Сәйкесті шоғырлану динамикалық тепе-теңдіктен туады: жаңадан пайда болған заряд тасушылардың саны рекомбинацияланған заряд тасушылардың санына тең.
Қоспалы жартылай өткізгіштердегі заряд тасушылар
Қоспаны еңгізген кезде жартылай өткізгіште электронды немесе кемтікті электр өткізгіш күйінің артықшылығы болады және электр өткізгіштігі өседі. Бұған байланысты электронды (n-түрлі) және кемтікті (p-түрлі) жартылай өткізгіштерді айырады.
n-түрлі электр өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште тек еркін электронды құратын қоспаны еңгізеді. Еңгізетін қоспа электрондарды жабдықтаушы болғандықтан оны донорлық деп атайды. Германиймен кремнийдің донорлық қоспа ретінде элементтердің периодикалық жүйенің V топтың элементтерін (сурьма, фосфор) қолданады. Олардың бес валентті электрондары бар.
Мұндай қоспаны енгізген кезде кристалды тордың бөлек түйіндерінде қоспаның атомдары негізгі жартылай өткізгіштің атомдарын алмастырады (1.5, а - сурет). Донорлық қоспаның әрбір атомдық төрт электроны негізгі заттың көршілес атомдарымен коваленттік байланысқа қатысады, ал бесінші электрон өзінің атомымен байланысы бәсеңдеу болады.
а) б)
1.5 сурет - n - түрлі жартылай өткізгіш кристалда еркін электрон пайда боуы (а) және бұл процессті энергетикалық диаграммада көрсету (б)
Шамалы энергияны берген кезде (мысалы, фононның энергиясын) артық электрон еркін болып қалады, ал қоспаның атомы болымды ионға айналады (қоспаның атомның ионизациялауы).
Егерде босаған электрондар қабаттың шектерінен кетпесе. Жартылай өткізгіштің қабаты электр бейтарапты болып қала береді. Кейбір әрекет факторлар болған кезде электрондар кристалдың басқа қабаттарына кеткен кезде донорлық қоспаның болымды иондары өтемделмеген болымды көлемді зарядты құрады.
n-түрлі жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасында (1.5, б - сурет) еңгізілген қоспа өткізгіштік аймақтың жанында бір-біріне жақын орналасқан ықшам валенттік энергия деңгейлерді құрайды. Олар абсолюттік температура кезде электрондармен толтырылады. Суретте ықшам деңгейлер пунктир сызықпен көрсетілген. д кеңдігі шамалы болғандықтан, (эВ) бөлмелік температура кезде донорлық деңгейлердің электрондары өткізгіштік аймаққа өтеді де, ток құруға қатысуға мүмкіншілік алады.
Еркін электрондардың өткізгіштік аймақтағы шоғырлануына кең рұқсат етілмеген р.е. аймақтан өтетін валенттік аймақтын өздік электрондарымен емес, негізінде Nд еңгізілген қоспаның шоғырлануымен белгіленеді. Оған сәйкесті n-түрлі жартылай өткізгіштің nn электрондардың шоғырлануы валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтетін p n кемтіктердің шоғырлануынан едәуір жоғары. n-түрлі жартылай өткізгіште ток негізінде электрондармен құрылады деп есептеуге болады. Басқаша айтқанда, бұл жағдайда электрондар негізгі заряд тасушылар, ал кемтіктер - негізгі емес заряд тасушылар болады.
p-түрлі жартылай өткізгіште қоспаны еңгізу кемтіктердің шоғырлануын үлкейтуге бағытталған. Қоспа ретінде атомдары үш валенттік электроны бар периодикалық жүйенің III топтың элементтері пайдаланады (индий, галлий, бор). Мұнда қоспа бар кезде әрбір оның атомы көршілес атомдармен (кристалды тордағы негізгі атомдармен) үш толтырылған коваленттік байланысты құрады (1.6, а - сурет).
а) б)
1.6 сурет - р түрлі жартылай өткізгіш кристалда кемтіктің пайда болуы (а) және процессті энергетикалық диаграммада көрсету.
Төртінші байланыс толтырылмаған болып қалады. Жетпейтін валенттік электрон кристалды тордың бір көршілес атомнан алынады. Бұл үшін керекті энергия шамалы. Электронның өтуі көршілес атомның коваленттік байланысында кемтікті құрады, ал электроны кеткен атом қозғалмайтын теріс ионға айналады. Нәтижесінде қоспа арқылы өткізгіште кемтіктердің шоғырлануы өседі. Көршілес атомдардың валенттік электрондарын қабылдайтын қоспаның атомдары акцепторлық, ал қоспаның өзі - акцептор деп аталады.
Негізгі жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграмманың рұқсат етілмеген аймақта акцепторлық қоспа бар кезде валенттік аймақтың қасында жергілікті энергияның деңгейлері пайда болады (1.6, б - сурет). Жергілікті деңгейлердің саны кристалдағы қоспаның атомдарының шоғырлануымен белгіленеді. Акцепторлық деңгейлердің энергиясымен және валенттік аймақтың жоғарғы деңгейінің энергиясымен айырым а шамалы болғандықтан (эВ), бөлмелік температура кезде валенттік аймақтан өткен электрондармен барлық акцепторлық деңгейлер толтырылады. Валенттік аймақта кемтіктердің үлкен шоғырлануы пайда болады.
Кемтіктердің шоғырлануы Nд еңгізген акцепторлық қоспаның шоғырлануымен белгіленеді. Валенттік электрондар кең рұқсат етілген р.е. аймақтан жылу генерация кезде өткендер кемтікті бұған қарағанда шамалы құрады. Сол себептен, p-түрлі жартылай өткізгіште pр кемтіктердің шоғырлануы nр еркін электрондардың шоғырланудан едәуір үлкен. Кемтікті жартылай өткізгіште ток негізінде кемтіктермен тасымалдайды. Бұл жағдайда кемтіктер негізгі заряд тасушылар, ал электрондар - негізгі емес заряд тасушылар болады.
Сонымен, қоспалы жартылай өткізгіштерде негізгі заряд тасушылардың шоғырланулары (nn - электронды жартылай өткізгіште) қоспа еңгізу арқылы құрылады, ал негізгі емес заряд тасушылар (p n, nр - сәйкесті электронды және кемтікті жартылай өткізгіштерде) - валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа жылулық генерация есебімен заряд тасушылардың өтуімен құрылады.
Электр өріс және заряд тасушылардың біркелкі емес шоғырлануы болды. Заряд тасушылардың реттеулік қозғалысын құрады, яғни токты. Электр өрістің әсерлігімен заряд тасушылардың бағытталған қозғалысы дрейф деп аталады, ал заряд тасушылардың шоғырланудың айырымы әсерлігімен бағытталған қозғалыс диффузия деп аталады.
1.2 Жартылай өткізгіш диодтар
Әрекет принципі және диодтың вольт-амперлі сипаттамасы
Диод - екі электроды бар бір жаққа ток өткізумен ие болатын жартылай өткізгіш элемент. Айнымалы токты түзетілген токқа түрлендіруге қолданады.
а) б) в)
1.7 сурет - Жартылай өткізгіш диод: а) диодтың жартылай өткізгіш құрылымы; б) диодтың шартты сызықты белгісі; в) диодтың өте жақсы вольт-амперлі сипаттамасы
Диодтың екі қабаты бар: біреуінің кемтікті өткізгіштігі бар (p), екіншінің электронды өткізгіштігі бар (n).
Диодтың әрекет принципі p және n қабаттардың шекарасында (p - n өткелде) өтетін үрдістермен негізделген.
Сыртқы кернеу жоқ кездегі p - n өткелдегі электр үрдістер
Негізгі заряд тасушылармен бірге негізгі емес тасушылар әрбір қабатта бар. Олар негізгі материалдың электрондары валенттік аймақтан еркін деңгейлердің аймағына өтумен құрылады.
1.8 сурет - Өткізгіштің p - n құрылымында p - n өткелдің құрылуы:
а) өткізгіштің p - n құрылымы;
б) заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы;
в) p - n өткельде токтың құраушылары;
г) зарядтың таралуы;
д) өрістің кернеулігінің диаграммасы;
е) p - n өткелдегі потенциалдық тосқауыл.
Ең көп тараған, қабаттарда негізгі заряд тасушылардың (pр және nn) шоғырланулар бірдей емес p - n құрылымдар қолданады. Қабаттардың АВ бөлінуі шекарада бір атты заряд тасушылардың шоғырлануының айырымы пайда болады: олар бір қабатта негізгі, ал басқада - негізгі емес. Шекаралық салада шоғырланудың айырмасының әрекетімен негізгі заряд тасушылардың қарама-қарсы диффузиялы қозғалыс бөліну шекара арқылы басталады. p саладан кемтіктер n салаға диффузиялайды, ал n саладан электрондар - p салаға диффузиялайды. n салаға кірген кемтіктер бұл саладағы электрондармен рекомбинацияға кіреді, p салаға кірген электрондар бұл саладағы кемтіктермен рекомбинацияға кіреді.
Қабат бөліну шекара арқылы заряд тасушылардың диффузиялық қозғалысы шекаралық салаларда қоспа атомдардың иондары көлемді зарядтарды құрады. p қабаттан кемтіктер кеткен кезде, қоспалардың акцептор атомдарының қалған теріс иондар теріс көлемді зарядты, ал n қабаттан электрон кеткен кезде, қоспалардың донор атомдарының қалған болымды иондар болымды зарядты құрады. p - n өткелде көлемді зарядтың таралу қисығы 1.8, г - суретте көрсетілген.
Шекаралық p салада электрондардың шоғырлануы, ал шекаралық n салада кемтіктердің шоғырлануы үлкейеді (1.8, б - сурет). p - n өткелде көлемді заряд болғандықтан электр өріс және потенциал айырымы құрылады. Е(х) және (х) қисықтар 1.8, д, е - суреттерде көрсетілген.
Көлемді зарядпен құрылған ішкі электр өріс өткел арқылы екі жаққа заряд тасушылардың ағындарының теңістігін қамтамасыз етеді, яғни қосынды токтың сыртқы электр өріс жоқ кезде нөлге теңдігін. Бұған себеп - потенциалды тосқауылы 0 ішкі электр өріс (1.8, е - сурет) негізгі заряд тасушыларға бөгет болады, ал негізгі емес заряд тасушылардың өтуін тездетеді. Сонымен, ішкі элект өріс Jдиф. диффузиялы токтың тығыздығын азайтады, ал Jдр. дрейфтік токтың тығыздығын үлкейтеді.
Дрейфтік токтың бағыты диффузиялық токтың бағытына теріс болады.
Сыртқы кернеу бар кезде p - n өткелде электр үрдістер
Сыртқы кернеу p - n құрылымға тік бағытталған, яғни + p аймақтың шықпасына, ал - n аймақтын шықпасына қосылған.
1.9 сурет - Тік бағытта сыртқы кернеу қосылғанда жартылай өткізгіш диод:
а) қосылу сұлбасы;
б) тік кернеу кезіндегі потенциалды тосқауыл;
в) заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы.
1.10 сурет - Диодтың вольт-амперлі сипаттаманың тура тарамы
Көздің құрған электр өрісі ішкі электр өріске теріс бағытталған, ал бұл жағдайда p - n өткелде нәтижелі өріс азаяды. Өткелде екі таңбалы көлемді заряд жиналады. Оның шамасына шекаралық қабаттардағы 0 шамасымен бірге Uа сыртқы кернеу жұмыс істейді. Өткелдегі көлемдік зарядқа сыртқы кернеу жоқ кездегіден шамасы аз 0 - Uа кернеу сәйкес болады. 0 - Uа шама сыртқы кернеуді тура бағытта қосқанда потенциалды тосқауылдың биіктігін белгілейді (1.9, б - сурет). Көлемді зарядтың азайғаны p - n өткелді тарылтады. Потенциалды тосқауылдың азайғаны бөліну шекара арқылы диффузия әрекетімен негізгі заряд тасушылардың өтуін жеңілдетеді, ал бұл жағдай өткел арқылы өтетін диффузиялық токты үлкейтеді (1.9, в - сурет).
Өткелден өтетін дрейфтік токтың шамасы өзгермейді. Диффузиялық және дрейфтік токтардың айырымы нәтижелі токты белгілейді. Тура токтың тығыздығы
Jа = Jдиф. - Jдр.
Сыртқы кернеу өскенде диффузиялық ток өседі, яғни өткел арқылы тура ток өседі. p - n өткелдің вольт-амперлі сипаттамасы 1.12 суретте келтірілген.
1.11 сурет - Сыртқы кернеуді теріс бағытқа қосқанда жартылай өткізгіш диод:
а) қосу сұлбасы; б) теріс кернеу кезіндегі потенциалды тосқауыл; в) заряд тасушылардың шоғырлануларының таралуы; г) вольт-амперлі сипаттаманың кері тарамы.
Сыртқы кернеуді кері бағытта қосқанда (1.11, а - сурет) потенциалды тосқауыл Uб шамаға өседі де 0 + Uб тең болады (1.11, б - сурет). Бұл жағдайда көлемді заряд үлкейеді, сол себептен p - n өткелден негізгі зарядтардың өтуі қиындалады, яғни диффузиялық ток азаяды. Негізгі емес заряд тасушылардың шоғырланумен себепші болатын дрейфтік ток өткелдің екі жағында өзгейрмейді (1.11, в - сурет), бірақ та енді оның шамасынан үлкен болады. Диод арқылы кері ток ағады
Iб = Iдр - Iдиф
Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы 1.12 - суретте көрсетілген.
1.12 сурет - Диодтың толық вольт-амперлі сипаттамасы
Диодтың тура тоғы негізгі, ал кері тоғы негізгі емес зарядтармен құрылады. Негізгі заряд тасушылардың шоғырлануы көп есе негізгі емес заряд тасушылардың шоғырлануынан үлкен.
1.3 Биполярлы транзисторлар
Транзистор - үш электроды бар басқарылатын жартылай өткізгіш элемент. Транзистор күшейту және серпінді сұлбаларда кең қолданылады. Оның артықшылықтары - қыздыруы жоқ, кіші көлемі және бағасы, жоғары сенімділігі.
Биполярлы транзистор үшқабат жартылай өткізгішті құрылымы және оның екі p - n өткелі бар. Қабаттардың кезектестіруге тәуелділікке байланысты транзистордың p - n - p және n - p - n түрлері болады (1.13 а, б - сурет). Электронды сұлбаларда көрсетілетін шартты белгілер 1.13 в, г - суреттерде көрсетілген.
1.13 сурет. p - n - p (а) және n - p - n (б) түрлі транзисторлардың жартылай өткізгіш құрылымы; олардың электронды сұлбалардағы шартты белгілері (в,г)
Үшқабатты құрылым алу үшін негізгі материал ретінде германий және кремний пайдаланылады. Жартылай өткізгіштің n түрлі табақ құрылымның табаны (база) ретінде болады. Екі сыртқы p қабаттар негізгі материалға акцепторлық қоспаны еңгізу арқылы құралады. Бір қабат эмиттер деп, екінші коллектор деп аталады.
Эмиттер өткелдің тағайындауы - заряд тасушыларды базаға еңгізу, коллекторлық өткелдің - базалық қабаттан өткен заряд тасушыларды жинау.
n - p - n түрлі транзисторларда барлық үш қабаттардың тағайындауы және аттары іспеттес, тек база арқылы өтетін заряд тасушылардың түрі өзгереді: p - n - p түрлі аспаптарда - бұл кемтіктер, n - p - n түрлі аспаптарда - электрондар.
Транзистордың әрекет принципі және оның негізгі параметрлері
Биполярлы транзистордың әрекет принципін p - n - p түрлі құрылымы бар аспаптан қарап шығамыз (1.14 сурет). Алдымен транзисторлық құрылымның қабаттарында заряд тасушылардың шоғырлануының тарауын және сыртқы кернеулер жоқ кезде p - n өткелдердің көлемді зарядтармен құрылатын потенциалдар айырымдарын көрсетеміз (1.14 б, в - сурет).
Сыртқы кернеулер жоқ кезде үш қабаттың бөліну шекараларында көлемді зарядтар құрылады, ішкі электр өріс пайда болады және қабаттар арасында ішкі потенциал айырымы әрекет етеді. Әрбір өткелде потенциалды тосқауыл өткел арқылы өтетін бір-біріне қарсы заряд тасушылардың диффузиялы және дрейфті ағындардың тепе-теңдігін құрады, яғни өтетін ток нөлге тең. Егерде нөлдік деңгей ретінде базаның потенциалын алсақ, онда сыртқы кернеулер жоқ кезде транзистордағы потенциалдардың айырымдарының тарауы түрі 1.14, в - суретте көрсетілгендей болады.
Эмиттерлік өткелді тура бағытта, ал коллекторлық өткелді теріс бағытта ығысуды қамтамасыз ететін сыртқы кернеулер транзисторға қосылады. Бұны екі көз арқылы орындайды (1.15, а - сурет). Uэб кернеуді базаға қарай болымды полюспен элементтерге қосады, Uкб кернеуді базаға қарай теріс полюспен коллекторға қосады.
1.14 сурет - Сыртқы кернеулер жоқ кезде p - n - p түрлі транзисторлық құрама (а); заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы (б); потенциалдардың айырымы (в)
1.15 сурет - Сыртқы кернеулер бар кезде p - n - p түрлі транзисторлық құрама (а); заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы (б) және ішкі потенциалдардың айырымы (в)
Эмиттерлік өткелде сыртқы кернеу Uэб тура бағытта әрекет істеп тұрғандықтан кемтіктер үшін (эмиттер қабатында негізгі заряд тасушылар) потенциалды тосқауыл төмендейді де, кемтіктер диффузияның әрекетімен эмиттерден үлкен мөлшер болып базаға өтеді (1.15, б, в - сурет) Оған ұқсас электрондардың диффузиялы ағыны (база саласындағы негізгі заряд тасушылар) эмиттерге үлкейеді.
Эмиттердің өткеліндегі және эмиттердің тізбегіндегі ток
Iэ = Iэр + Iэп
Токтың кемтікті құрастырушысы Iэр базаға эмиттерге өтетін кемтіктердің ағынымен құралады. Келесіде кемтіктердің көбісі коллекторға жетеді де транзистордың коллекторлық тоғын құрайды. Токтың электронды құрастырушысы Iэп эмиттерге базадан өтетін электрондардан құралады. Ол көз арқылы кіріс тізбек арқылы тұйықталады да пайдалы қолданбайды (коллекторлық токты құруға қатыспайды). Сонымен, эмиттерлік өткелдің міндеті және эмиттерлік өткелдегі процестер заряд тасушыларды (кемтіктерді) базаға еңгізуде.
Базалық қабаттағы процестер базаға эмиттерлік өткел арқылы өткен кемтіктермен белгіленеді. Еңгізген кемтіктер эмиттердің қасындағы базалық қабатта кемтіктердің шоғырлануын өсіреді (1.15, б - сурет).
Тепе-теңдік шоғырлану Рnо қарағанда, еңгізілген кемтіктер базалық қабатқа өткенде эмиттердің қасындағы базалық қабатта кемтіктердің шоғырланыун үлкейтеді. Эмиттерлік өткелдің шекарасында Рn (0) шоғырлану құрылады (1.15, б - сурет). Uэб кернеуден тәуелді бұл шоғырланудың шамасы мынаған тең:
мұндағы Т - жылулық потенциал.
Рn (0) шоғырланудың әсерімен базада коллекторға қарай кемтіктердің диффузиялы қозғалысы дамиды, яғни кіші шоғырлану жаққа. Базада коллекторлық өткелдің шекарасында кемтіктердің шоғырлануы нөлге жақын орнатылады. Оған себеп болғаны - диффузия әсерімен коллекторлық өткелге жеткен кемтіктер өткелдің өрісімен тездетіледі де, коллекторға тасталады.
Базадағы көрсетілген кемтіктердің қозғалысы тек бағаның көлемінде электрондардың саны кемтіктердің санына тең болғанда, яғни база электр бейтарапты болғанда.
Базада кемтіктер және электрондар болғандықтан диффузия процесс кезінде кемтіктердің кейбір бөліктері электрондармен рекомбинациялайды. Рекомбинацияның нәтижесінде коллекторға жеткен кемтіктердің саны эмиттерден түскен кемтіктерден аз болады.
Сонымен бірге кемтіктердің рекомбинациясы кемтіктерді қарымталауға керек электрондардың жеткіліксіздігін құрады. Керекті электрондар базалық ток Iб құрып базалық тізбектен түседі. Бұған сәйкес транзистордың кемтікті ток құрушылар үшін
Iэр = Iкр + Iбр
Коллекторлық p - n өткел оған жеткен кемтіктерді коллекторлық салаға өткізіп жіберуге арналған (1.15, в - сурет).
Коллекторлық ток Iк эмиттердің тоғымен токтың беріліс коэффициенті -мен былай байланысқан:
шамасы 0,9 - 0,99.
Транзистордың токтары үшін негізгі байланыс Кирхгофтың бірінші заңы бойынша құрылады:
Iэ = Iк + Iб
Транзистордың вольт-амперлі сипаттамалары
Әртүрлі сұлбаларда транзисторларды қолданған кезде, кірісте кернеу және ток арасындағы тәуелділік (кіріс сипаттамалар) және шығыс кернеу және ток арасындағы тәуелділік (шығыс сипаттамалар) пайдаланады.
Транзисторды қосудың үш әдісі бар: ортақ базамен (ОБ), ортақ эмиттермен (ОЭ) және ортақ коллектормен (ОК).
Ортақ эмиттері бар сұлба (1.16 сурет)
ОЭ бар сұлбада транзистордың кіріс және шығыс тізбектері эмиттердің шықпасына ортақ болады. Uбэ, кернеулер базамен эмиттердің аралығына және Uкэ коллектормен эмиттердің аралығына беріледі. Uбэ кернеу эмиттерлік өткелдегі кернеуді белгілейді. Коллекторлық өткелдегі кернеу Uкэ - Uбэ тең. ОЭ бар сұлбада транзистордың шығыс сипаттамаларын Iб = const кезде тәуелділік анықтайды (1.17, а - сурет).
1.16 - сурет. Ортақ эмиттері бар
транзистордың сұлбасы.
а) б)
1.17 сурет - Шығыс (а) және кіріс (б) сипаттамалар
Коллекторлық сипаттамалар координат басынан басталады. Uкэ = 0 коллекторлы өткелде кернеу Uбэ тең, коллекторлы өткел ашық, базаға кемтіктер еңгізіледі.
Кемтіктердің ағыны коллекторлық өткел арқылы (коллектордан базаға және эмиттерден коллекторға) бір-бірін теңестіреді де ток Iк = 0. Uкэ кернеу үлкейген сайын коллекторлық өткелдегі кернеу төмендейді де ток I үлкейеді.
ОЭ бар сұлбада аналитикалық түрде жазылған коллекторлық сипаттамалар
Iк =
мұнда - токтың беріліс коэффициенті;
= 0,9 - 0,99 болғандықтан;
Iко - жылулық ток.
Сонымен, транзистор ОЭ бар сұлбада токты үлкейтеді. Бұл маңызды артықшылық, ал сол себептен ОЭ бар сұлбалар кең қолданылады.
Кіріс (базалық) сипаттамалар коллектормен эмиттердің арасындағы кернеу Uкэ тұрақты кезде базаның тоғы Uбэ база эмиттер арасындағы кернеуден тәуелділікті көрсетеді, яғни Iб = f (Uбэ) (1.17, б - сурет).
Uкэ = 0 тең кезде сипаттама параллельді қосылған екі p - n өткелдердің (эмиттерлік және коллекторлық) вольт-амперлі сипаттаманың тура тарамына сәйкес. Базаның тоғы бұл жағдайда коллектордың және эмиттердің токтарының қосындысына тең.
Uкэ 0 базаның тоғы эмиттердің тоғының шамалы бөлігіне тең. Uбэ белгілі кезде Uкэ 0 беру Iб токты азайтады, яғни Uкэ = 0 кездегі сипаттамаға қарай сипаттамалар төменге ығысады.
Iб база тоғының ішінде коллектордың Iко жылулық тоғы бар. Сондықтан Uкэ 0 кезде кіріс сипаттамалар Iко тең база тоғының теріс мәндерінен басталады.
1.4 Тиристорлар
Тиристор - төртқабатты, үш p - n өткелі бар жартылай өткізгіш аспап. Тиристордың екі жағдайы бар: ашық және жабық.
Тиристорды жабық жағдайдан ашық жағдайға келтіру үшін аспапқа сыртқы әсер арқылы жүзеге асырылады.
Тиристордың үш электроды бар: А-анод, К-катод, БЭ-басқару электроды. Тиристордың шартты белгісі 1.18 суретте көрсетілген. Тиристорды өңдеу үшін кремний қолданады.
1.18 сурет - Тиристордың шартты 1.19 сурет - Триодты
белгісі тиристордың құрылымы
Тиристорды қоректендіру кернеу суреттегі сияқты берілген кезде θ1 және θ3 өткелдер ашық, ал θ2 өткел жабық. Кернеу Uтік θ жабық өткелге салынады. Оның кедергісі үлкен болғандықтан ток (1.20 сурет). Uтік кернеуді үлкейткен кезде (қоректендіру көздің Еа ЭҚК-ін үлкейту арқылы) тиристордың тоғы шамалы өседі. Uтік кернеу Uқос қосу кернеуге тең болғанда заряд тасушылардың саны тасқынды өседі. Бұған себеп θ2 өткелде жылжып бара жатқан электрондармен және кемтіктермен заряд тасушылардың өсуі. n2 қабаттан электрондар, р1 қабаттан кемтіктер р2 және n1 қабаттарға ұмтылып, оларды негізгі емес заряд тасушылармен қанықтырады. R кедергідегі кернеу өседі, тиристрдағы кернеу азаяды. Тесілуден кейін тиристордағы кернеу 0,5-1 В дейін төмендейді. Мұндай тесілу θ2 өткелді бұзбайды, ток азайған кезде өткелдің жоғары кедергісі орнына қайтады.
1.20 сурет - Тиристордың вольт-амперлі сипаттамасы
1.21 сурет - Басқарылатын VS тиристоры бар бір жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы (а); қоректену кернеуі u1 (б); басқару серпіндер (в); түзетілген кернеу (г) және ток (д)
Басқару серпіндердің iб фазасын өзгертіп, тиристордың ашылу уақытын өзгертеді, ал сонымен бірге түзетілген кернеуді және токты өзгертеді. Серпін iб басқару жүйеден келіп түседі.
Бір жартыпериодты түзету кезде, фазаны нөлден -ге дейін өзгерткен кезде түзетілген кернеу uR = Ri Uтік -ден нөлге дейін өзгереді.
Тиристорлар арқылы түзетілген кернеуді өзгертумен бірге, тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіруге болады. Теріс бағытта тиристордың тесілуі болмас үшін теріс кернеу Uтер.max аз болу керек.
Тиристорлар 2000 А токқа және қосу кернеулері Uқос.=4000В дейін шығарылады. Басқарылатын түзеткіш ретінде тиристорлар кең қолданылады.
Екінші тарау
Электронды түзеткіштер
2.1 Түзеткіш туралы жалпы мәліметтер
Түзеткіш - айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіретін құрылғы.
Мұндай түрлендіру, егерде тұтынушының қоректенуі тұрақты токпен орындалса, ал электр энергияның көзі айнымалы токтың көзі болса, қажетті болады. Түзеткіштер әртүрлі электронды аспаптарда кең қолданады, себебі - бұл аспаптардың бөліктерінің көбісі тұрақты токпен қоректенеді.
2.1 суретте түзеткіштің құрылыма сұлбасы көрсетілген.
2.1 сурет - Түзеткіштің құрылымдық сұлбасы
2.2 сурет - Бірфазалы түзету кездегі уақыттық диаграммалар
Құрылымдық сұлбаның негізі - белгілі сұлба бойынша бір немесе бірнеше диодтардан жиналған түзеткіш. Шығыста тұрақты кернеудің талап ететін шамасын алу үшін, тапсырылған біріншілік u1 кернеуді екіншілік u2 кернеуді үлкейтуге немесе кішірейтуге трансформатор қойылады (2.2 а, б - сурет).
Түзетудің принципі - диодтік сұлба арқылы u2 кернеудің екі полярлық қисығынан ud кернеудің бір полярлық жартытолқынды қисығын алу (2.2 в - сурет).
ud кернеу түзетілген кернеудің қисығын сипаттайды. Оның тұрақты құрастырушысы Ud түзетілген кернеудің орташа мәні.
Түзетілген кернеудің қисығында тұрақты құрастырушымен бірге айнымалы (толықсу) құрастырушысы бар. Айнымалы құрастырушының қажеттігі жоқ. Сол себептен, түзеткіштің шығысына тегістеуші сүзгіні қосу арқылы түзетілген кернеудің сүзгілеуін орындайды.
Түзеткіштерді диодтардың түрлері, олардың қосу сұлбалары және айнымалы кернеу көздің фазалар бойынша айырады. Сонымен бірге түзеткіштер басқарылмайтын және басқарылатын болып бөлінеді.
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш
2.3 сурет - Бір жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы
2.4 сурет - Трансформатордың екіншілік орамасындағы кернеу u2 (а); түзетілген ток i2, токтың тұрақты құрастырушысы Id (б).
Айнымалы синусоидалы кернеу u2 диодқа ұмтылады. Диодтың біржақты өткізгіштігі болғандықтан i2 ток тек u2 кернеудің болымды жартылай период кезінде өтеді, сондықтан токтың түрі серпінді болады (2.4 б - сурет).
Токтың Id тұрақты құрастырушысы бұл токтың Rж жүктеме арқылы жартыпериод ішінде өтетін i2 токтың орташа мәнімен белгіленеді
i2 = I2т sin болғандықтан
мұнда T = 2, сондықтан
(2.2)
Түзетілген кернеудің тұрақты құрастырушысы Ом заңы бойынша тең
(2.3)
Ud кернеудің шамасын түзеткішті есептеген кезде тапсырады.
(2.3) негізінде U2 белгіленеді, ал көздің U1 кернеу арқылы трансформация коэффициенті белгіленеді ( ).
U2 кернеудің теріс жартылай период кезінде диод Д кері кернеудің U2т әсерінде болады. Сондықтан Uкер. max = U2т = 3,14 Ud.
Бір жартыпериодты түзету сұлбада жұмыс істеуге диодты таңдаған кезде мына жағдайлар орындалу керек: Uкер.д 3,14 Ud, Iорт.д Id.
Түзеткіштің жұмысын сипаттайтын маңызды көрсеткіші - толықсу коэффициент
(2.4)
мұнда U1т - жүктемедегі айнымалы кернеудің бірінші гармониканың амплитудасы.
Бір жартыпериодты түзеткіш үшін U1т ==1,57 Ud, яғни = 1,57.
Бір жартыпериодты түзеткіш үшін үлкен болғаны бұл сұлбаның негізгі кемшілігіне жатады.
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш
а) Нөлдік шықпасы бар бір фазалы екі жартыпериодты түзеткіш
Түзеткіштің сұлбасы 2.5 суретте көрсетілген. Түзеткіштің қажетті бөлігі ретінде екі екіншілік орамалар W2-1 және W2-2 бар күштік трансформатор Тр. Олар біріншілік орама W1 трансформация коэффициент арқылы байланысқан. Орамалардың қосылу сұлбасы екіншілік ораманың шықпаларындағы шамасы бойынша бірдей кернеулерді жалпы (нөлдік) нүктеге қатысты фаза бойынша 1800 ығыстырады. Трансформатордың екіншілік орамалары Д1 және Д2 диодтың анодтарына қосылады.
Шығыс кернеу Ud трансформатордың нөлдік нүктесімен екі диодтың катодтарының қосылу жалпы нүктесінің арасынан алынады. Болымды полярлығы бар u1 кернеудің жарты толқыны түскенде (2.5,б - суретте 0- аралық) трансформатордың екіншілік орамаларында u2-1 және u2-2 кернеулер әрекет етеді (2.5, в -сурет). Д1 диодтың анодына нөлдік түйінге қарай болымды полярлығы бар кернеу ұмтылады, ал Д2 диодтың анодына кері. Анодтардағы көрсетілген кернеулердің полярлығы болған кезде Д1 диод ашық, ал Д2 диод жабық. u2-1 кернеу Rж жүктемеге ынта салынады да жүктемеде ud кернеуді құрады. Бұл аралықта диодтың анодтық ток жүктеме тоғына тең iа1= id = (2.5 д, е - сурет).
2.5 сурет - Бір фазалы екі жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы (а) және оның уақытты диаграммалары (б-ж)
Теріс полярлығы бар u1 кернеудің жарты толқыны түскенде (2.5 б-суреттегі -2 аралық) екіншілік орамалардағы кернеулердің полярлықтары кері болып қалады (2.5, в - сурет). Д2 диод ашық, ал Д1 диод жабық.
Енді сұлбадағы токтар iа2= id = (2.5 д, ж - сурет).
Содан кейін процесс қайталанады: кезек-кезек Д1 және Д2 диодтар токты өткізеді.
Сұлбадағы кернеулер және токтар уақыт бойынша диаграммаларға сәйкес өзгереді (2.5 б, ж - сурет).
Кернеудің тұрақты құрастырушысы Ud кернеу u2 орташа мәнімен белгіленеді
(2.5)
Түзеткішті есептегенде Ud тапсырылған болғандықтан, екіншілік кернеуді табамыз
= 1,1 Ud (2.6)
Трансформация коэффициенті тең (2.7)
Толықсу коэффициенті 0,67 (2.8)
m=2 - түзету фазалардың саны.
Диодтың түрін белгілегенде әрбір диодтан өтетін токтың орташа мәнін Iа және оларға ынта салынатын максималды кері кернеуді Uкер.max білу керек.
Диод арқылы ток I d кезекше өтеді, сол себептен әр диод орташа ток Iа тең
Iа= (2.9)
Кері кернеу жабық диодқа ынта салынады, яғни екінші диод ашық кезде жабық диодқа екі екіншілік орамалардың қосынды кернеулері әрекет етеді
Uкер.max= 2U2т=PIUd (2.10)
Күштік трансформаторды есептеген кезде оның орамалары арқылы өтетін I1 және I2 токтардың мәндерін білу керек.
I2= (2.11)
(2.12)
мұнда - трансформация коэффициенті.
Трансформатордың қуаты
SТ = Ud I1=1,23 Ud Id (2.13)
б) Бір фазалы көпірлік түзеткіш
Түзеткіштің сұлбасына күштік трансформатор және төрт диодтардан жиналған түзеткіш көпір кіреді (2.6 а)-сурет).
Шығыс кернеу U2 кернеудің жарты толқынды бір полярлық түріндей болады (2.6 в)-сурет). Бұл жағдай Д1, Д2 және Д3, Д4 диодтардың кезек-кезек ашылу нәтижесінде пайдалы болады.
Д1, Д2 диодтар U2 кернеудің жарты толқыны болымды болғанда (0-PI аралық) ашық. Ашық Д1, Д2 диодтар U2 кернеудің шамасына және полярлығына тең Ud кернеуді жүктемеде құрады (2.6 в) - сурет).
U1 кернеудің жарты толқыны теріс кезінде - 2аралықта U2 кернеудің полярлығы кері болады (2.6 в) - сурет). Оның әсерімен Д3, Д4 диодтар ашылады да, жүктеме U2 кернеуге қосылады. Полярлық 0 - аралығындай (2.6 а, в- сурет).
2.6 сурет - Бір фазалы көпірлік түзеткіштің сұлбасы (а) және оның уақытты диаграммалары (б-е).
Трансформатордың нөлдік шықпасы бар және түзетілген кернеу Ud және U2 көпірлік түзеткіштер үшін Ud кернеудің қисығы бірдей болғандықтан, 2.6 сұлба үшін кернеудің әрекет мәні арасындағы (2.5) және (2.6) күшінде қалады.
Сонымен бірге (2.8) қатынас өзгермейді.
Кері кернеу өткізбейтін екі диодқа бір уақытта ынта салынады.
Кері кернеудің максималды мәні
Uкер.max= 2U2т = Ud (2.14)
Яғни нөлдік түйіннің шықпасы бар сұлбаға қарағанда екі есе аз. I2 токты келесі кейіптеме арқылы табады
I2 = (2.15)
I1 ток I2 және Id токтармен келесі қатынаспен байланған
I1 = (2.16)
Трансформатордың қуаты
SТ = Ud I1=1,23 Рd (2.17)
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіш
2.7 сурет - Нөлдік шықпасы бар үш фазалы басқарылмайтын түзеткіш (а) және активтік жүктеме кездегі уақытта диаграммалар (б-е)
Басқарылмайтын нөлдік шықпасы бар түзеткіштің сұлбасына екіншілік орамасы жұлдызша қосылған трансформатор кіреді (2.7 а -сурет). Екіншілік ораманың шықпалары диодтардың үш анодымен байланысқан. Жүктеме диодтардың катодтарының қосылған жалпы нүтесімен екіншілік ораманың нөлдік шықпасының арасына қосылады.
2.7 б - суретте нөлдік нүктеге қарай трансформатордың екіншілік орамасының үш фазалық жүйесі көрсетілген (иа, ив, ис фазалы кернеулер).
Диодтар токты екіншілік кернеулердің болымды полярлықтары болған кезде өткізеді. Бірақта ашық жағдайда тек фазалық кернеуі басқа екі диодтың фазалық кернеулерінен жоғары болған диод болады.
Өткізбейтін диодтар оның фазалық кернеуінің және өткізетін диодтың фазалық кернеуінің айырымына тең кері кернеумен бекітіліп қалады. -аралықта ашық жағдай 1 диод үшін орындалады, - аралықта - 2 диод үшін, - аралықта - 3 диод үшін, - - қайтадан 1 диод үшін және сол сияқты ары қарай. Нәтижеде жүктемеде бір полярлы толықсу иd кернеу әрекет істейді (2.7 в - сурет). Жүктеме активтік кезде id = токтың қисығы иd кернеудің түріндей болады (2.7 в - сурет). Көрсетілген диодтардың ашылу кезегіне анодтар токтарының қисықтары сәйкес (2.7 г-е - сурет).
Түзетілген кернеудің орташа мәнін штрихталған аудан бойынша табамыз (2.7 в - сурет):
(2.18)
Мұндағы U2 - трансформатордың екіншілік орамадағы фазалық кернеудің әрекет мәні.
Ud және U2 кернеулерді байланыстыратын коэффициент бір фазалы сұлбадағы коэффициенттен үлкен, онда Ud =0,9 U2. Бұған байланысты трансформаторды U2=0,85 Ud кернеуге есептеуге керек, яғни бір фазалы сұлбадағы кернеуден аз шамаға (U2=1,1 Ud). Толықсу коэффициентің шамасы да кішірейеді, яғни 0,25 тең.
Диодтардың орташа тоғы
Iа= (2.19)
Диодтарды таңдаған кезде максималды кері кернеу сызықты екіншілік кернеудің амплитудасына тең
Uкер.max= (2.20)
Екіншілік ораманың iа2, ib2, iс2 диодтардың сәйкесті токтарымен белгіленеді (2.7 г-е - сурет).
2.5 Бір фазалы токтың басқарылатын түзеткіштері
Көп жағдайда Ud түзетілген кернеудің шамасымен басқару жағдай туады (мысалы, тұрақты ток қозғалтқыштың айналу жиілігін реттеу кезде).
Жүктемедегі кернеуді реттеу кезінде фазалық әдіс кең қолданады. Бұл жағдайда түзеткіштің сұлбасында басқарылатын диод - тиристор пайдалынады. Мұндай түзеткіш басқарылатын деп аталады. Бір фазалы басқарылатын түзеткіштер трансформатордың нөлдік шықпасы бар және көпірлік сұлба ретінде орындалады. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе 3
1. жартылай өткізгіш аспаптар 4
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі 4
1.2 Жартылай өткізгші диодтар 9
1.3 Биполярлы транзисторлар 12
1.4 Тиристорлар 17
2. Электронды түзеткіштер 19
2.1 Түзеткіштер туралы жалпы мәліметтер 19
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш 20
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш 21
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіштер 25
2.5 Бір фазалы басқарылатын түзеткіш 25
2.6 Тегістеуші сүзгілер 29
2.7 Кернеу тұрлауландырғыштар 31
2.8 Диодтарда және транзисторларда орындалатын қисынды элементтер 33
3. Күшейткіштер 39
3.1 Жалпы мәліметтер және күшейткіштерді топтастыру 39
3.2 Транзисторлық күшейту каскадтары 40
3.3 Қуат күшейту каскадтары 45
3.4 Кері байланысы бар күшейткіштер 50
3.5 Операциялық күшейткіштер 52
Бірінші тарау
Жартылай өткізгіш аспаптар
1.1 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Электр өткізгіштік бойынша жартылай өткізгіштер металлдар және диэлектриктердің арасында жатады.
Атомның электрондары белгілі энергия мәндеріне ие болады немесе белгілі (рұқсат етілген) энергетикалық деңгейлерде орналасады (1.1 сурет). Оқшауланған атомда энергетикалық деңгейлердің шекті саны бар, әрбір деңгей екі электрондардан артық болмайды.
1.1 сурет - Оқшауланған атомның энергетикалық диаграммасы
Төменгі деңгейлердегі электрондар атоммен қатты байланысқан. Электрон орналасқан деңгейдің энергиясы үлкейген сайын байланыс әлсірейді. Электрондардың энергияларын үлкейтетін сыртқы әсерлер жоқ кезде, атом қоздырылмаған жайда болады. Бұл жағдайда барлық төменгі энергетикалық деңгейлер электрондармен толтырылған, ал жоғары деңгейлер бос. Сыртқы әсерлер бар кезде (фотондар, электр немесе магнит өріс) атомның электрондары қосымша энергияға ие болады да жоғары энергетикалық деңгейге өтеді (атом қоздырылады) немесе атомнан босанып, еркін электрон болады (атомның иондануы). Сыртқы әсерге жоғары энергетикалық деңгейдегі электрондар ұшырайды.
Жақын орналасқан біртекті атомдардың тобының энергетикалық диаграммасы, оқшауланған атомға қарай, өзгереді (1.2 сурет).
1.2 сурет - Жақын орналасқан атом тобының диаграммасы.
Атомдардың бір-бірімен өзара әрекет себебімен көршілес атомдардың электрондарының рұқсат етілген энергия деңгейлері ығысып жақын орналасқан ығысқан энергия деңгейлерін құрады. Сонымен, рұқсат етілген энергия деңгейлерінің аймағы құрылады, ортасында рұқсат етілмеген аймақтар құрылады.
Қоспасы жоқ (таза) жартылай өткізгіштегі заряд тасушылар
Металлдарда (1.3, а) - сурет) энергетикалық диаграмма рұқсат етілген энергия мәндердің үздіксіз спектрі болады, ал жартылай өткізгіштерде және диэлектрлерде - үздікті (1.3 б),в) - сурет).
а) б) в)
1.3 сурет - Металлдың (а), жартылай өткізгіштік (б), диэлектриктің (в) энергетикалық диаграммалары
Жартылай өткізгіштерде және диэлектрлерде энергияның рұқсат етілген мәндерінің аймақтары энергияның рұқсат етілмеген аймағымен (р.е.) бөлінген. Энергетикалық диаграммаларда энергияның рұқсат етілген, екі тән аймақтары бар: төменгі (толтырылған) немесе валенттік аймақты және жоғарғы (еркін) немесе өткізгіштік аймақты. Электрондарға сыртқы әсер жоқ кезде (электр және магнит өрістер, жарықтың кванттарының сәулеленуі) және температура Т = 0 кезде төменгі аймақтың энергия теңгейлері электронмен толтырылған, жоғарғы аймақта электрондар жоқ.
Металлдарда өткізгіштік аймақ валенттік аймаққа тікелей қосылады (1.3, а - сурет). Валенттік аймақтағы электрондарға шамалы энергияны қосқанда олар өткізгіштік аймаққа өтеді. Сондықтан, тек электрөріс әсер еткен кезде металда атоммен байланыспаған көп еркін электрондар болады, ал олар жоғары электр өткізгіштікті қамтамасыз етеді.
Жартылай өткізгіштерде (1.3, б - сурет) еркін аймақ валенттік аймақтан р.е. рұқсат етілмеген аймақпен бөлінген. р.е. мөлшер (электрон-вольт) валенттік аймақтың жоғарғы энергетикалық деңгейдегі орналасқан электронға қандай энергияны беру керек, оны өткізгіштік аймақтың төменгі деңгейге көшіру үшін электрондардың рұқсат етілмеген аймақтан асып кету қабілеттілік сыртқы жағдайларға тәуелді. Әсіресе кристаллдың температурасының әсер етуі едәуір. Температура өскенде жылулық кванттардың (фотондардың) энергиялары үлкейеді және рұқсат етілмеген аймақтан өтуге жеткілікті энергияны алатын электрондардың саны көбейеді. Сол себептен, температура өскен сайын таза жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі өседі.
Кристалды денелердің рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі 3 эВ аспайды.
Диэлектриктердің рұқсат етілмеген аймағы 6 - 10 эВ дейін өседі (1.3, в -сурет). Сол себептен, олардың өткізгіштігі шамалы және өткізгіштік температура 400-800 0С немесе күшті электр өрістер кезде (тесілу) байқала бастайды.
Энергетикалық диаграммада рұқсат етілмеген аймақтардың болуы металдарға қарағанда жартылай өткізгіштерде заряд тасушылардың құруларының ерекшеліктерін қамтамасыз етеді. Жартылай өткізгіштік аспаптарды құру кезде ең кең қолданатын германий және кремний элементтердің бұл ерекшеліктерін қарап өтейік.
Германий және кремний элементтердің периодикалық жүйесінің IV тобына жатады. Олардың атомдарының сыртқы қабығында төрт валенттік электрон орналасқан. Германийдің рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі 0,72 эВ, кремнийдің - 1,12 эВ. Мысал ретінде германийді алайық. Оның кристалды торының үлгісі 1.4, а - сурет ретінде келтірілген.
а) б)
1.4 сурет - Жартылай өткізгіште еркін электрон және кемтік пайда болу (а) және оны энергетикалқ диаграммада көрсету (б)
Температура Т=0 К кезде әрбір атомның сыртқы қабығындағы төрт валентті электрон көрші атомдармен коваленттік байланысқа қатынасады. Әрбір екі электрон екі атомның құрамында болады және барлық төрт электрон көршілес атомдармен коваленттік байланыста болады, ол байланыс екі параллельді сызықпен көрсетілген (1.4, а - сурет).
Еркін электронның құрылуы атомдар арасындағы коваленттік байланыстың үзілуіне әкеледі және үзіліс орнында кемтік пайда болады. Коваленттік байланыста электронның жоқтығы оның орнында болымды заряд пайдалы болғандай сияқты.
Температура абсолюттік нөлден асқанда көпшілік электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтуі мүмкін. Бұл жағдайда еркін аймақта электрондардың ni шоғырлануы және оған тең кемтіктердің pi шоғырлануы валенттік аймақта құрылады (i индекс қоспа жоқ жартылай өткізгішті көрсетеді, ni және pi жартылай өткізгіштегі заряд тасушылардың өздік шоғырлану деп аталады).
Заряд тасушылардың шоғырлануы кристалдың температурасына, рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігіне тәуелді, яғни мына тәуелділікпен белгіленеді
ni = pi = (1.1)
А - кристаллдың түріне тәуелді коэффициент;
К - ДжК - Больцманның тұрақтысы;
Т - абсолюттік температура.
(1.1) көріністен шығады: жартылай өткізгіште заряд тасушылардың шоғырлануы және оның электр өткізгіштігі температура көтерілгенде өседі және рұқсат етілмеген аймақтың кеңдігі өскенде төмендейді.
Электрондар және кемтіктер жылжымалы бөліктер. Жартылай өткізгіште көлемі бар элемент болғанда бір уақытта екі процесс өтеді: заряд тасушылардың жылу генерациясы және электрондар өткізгіштік аймақтан валенттік аймақтың бос деңгейлеріне қайту арқылы электрондармен кемтіктердің жоғалуы (заряд тасушылардың рекомбинациясы). Сәйкесті шоғырлану динамикалық тепе-теңдіктен туады: жаңадан пайда болған заряд тасушылардың саны рекомбинацияланған заряд тасушылардың санына тең.
Қоспалы жартылай өткізгіштердегі заряд тасушылар
Қоспаны еңгізген кезде жартылай өткізгіште электронды немесе кемтікті электр өткізгіш күйінің артықшылығы болады және электр өткізгіштігі өседі. Бұған байланысты электронды (n-түрлі) және кемтікті (p-түрлі) жартылай өткізгіштерді айырады.
n-түрлі электр өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште тек еркін электронды құратын қоспаны еңгізеді. Еңгізетін қоспа электрондарды жабдықтаушы болғандықтан оны донорлық деп атайды. Германиймен кремнийдің донорлық қоспа ретінде элементтердің периодикалық жүйенің V топтың элементтерін (сурьма, фосфор) қолданады. Олардың бес валентті электрондары бар.
Мұндай қоспаны енгізген кезде кристалды тордың бөлек түйіндерінде қоспаның атомдары негізгі жартылай өткізгіштің атомдарын алмастырады (1.5, а - сурет). Донорлық қоспаның әрбір атомдық төрт электроны негізгі заттың көршілес атомдарымен коваленттік байланысқа қатысады, ал бесінші электрон өзінің атомымен байланысы бәсеңдеу болады.
а) б)
1.5 сурет - n - түрлі жартылай өткізгіш кристалда еркін электрон пайда боуы (а) және бұл процессті энергетикалық диаграммада көрсету (б)
Шамалы энергияны берген кезде (мысалы, фононның энергиясын) артық электрон еркін болып қалады, ал қоспаның атомы болымды ионға айналады (қоспаның атомның ионизациялауы).
Егерде босаған электрондар қабаттың шектерінен кетпесе. Жартылай өткізгіштің қабаты электр бейтарапты болып қала береді. Кейбір әрекет факторлар болған кезде электрондар кристалдың басқа қабаттарына кеткен кезде донорлық қоспаның болымды иондары өтемделмеген болымды көлемді зарядты құрады.
n-түрлі жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасында (1.5, б - сурет) еңгізілген қоспа өткізгіштік аймақтың жанында бір-біріне жақын орналасқан ықшам валенттік энергия деңгейлерді құрайды. Олар абсолюттік температура кезде электрондармен толтырылады. Суретте ықшам деңгейлер пунктир сызықпен көрсетілген. д кеңдігі шамалы болғандықтан, (эВ) бөлмелік температура кезде донорлық деңгейлердің электрондары өткізгіштік аймаққа өтеді де, ток құруға қатысуға мүмкіншілік алады.
Еркін электрондардың өткізгіштік аймақтағы шоғырлануына кең рұқсат етілмеген р.е. аймақтан өтетін валенттік аймақтын өздік электрондарымен емес, негізінде Nд еңгізілген қоспаның шоғырлануымен белгіленеді. Оған сәйкесті n-түрлі жартылай өткізгіштің nn электрондардың шоғырлануы валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өтетін p n кемтіктердің шоғырлануынан едәуір жоғары. n-түрлі жартылай өткізгіште ток негізінде электрондармен құрылады деп есептеуге болады. Басқаша айтқанда, бұл жағдайда электрондар негізгі заряд тасушылар, ал кемтіктер - негізгі емес заряд тасушылар болады.
p-түрлі жартылай өткізгіште қоспаны еңгізу кемтіктердің шоғырлануын үлкейтуге бағытталған. Қоспа ретінде атомдары үш валенттік электроны бар периодикалық жүйенің III топтың элементтері пайдаланады (индий, галлий, бор). Мұнда қоспа бар кезде әрбір оның атомы көршілес атомдармен (кристалды тордағы негізгі атомдармен) үш толтырылған коваленттік байланысты құрады (1.6, а - сурет).
а) б)
1.6 сурет - р түрлі жартылай өткізгіш кристалда кемтіктің пайда болуы (а) және процессті энергетикалық диаграммада көрсету.
Төртінші байланыс толтырылмаған болып қалады. Жетпейтін валенттік электрон кристалды тордың бір көршілес атомнан алынады. Бұл үшін керекті энергия шамалы. Электронның өтуі көршілес атомның коваленттік байланысында кемтікті құрады, ал электроны кеткен атом қозғалмайтын теріс ионға айналады. Нәтижесінде қоспа арқылы өткізгіште кемтіктердің шоғырлануы өседі. Көршілес атомдардың валенттік электрондарын қабылдайтын қоспаның атомдары акцепторлық, ал қоспаның өзі - акцептор деп аталады.
Негізгі жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграмманың рұқсат етілмеген аймақта акцепторлық қоспа бар кезде валенттік аймақтың қасында жергілікті энергияның деңгейлері пайда болады (1.6, б - сурет). Жергілікті деңгейлердің саны кристалдағы қоспаның атомдарының шоғырлануымен белгіленеді. Акцепторлық деңгейлердің энергиясымен және валенттік аймақтың жоғарғы деңгейінің энергиясымен айырым а шамалы болғандықтан (эВ), бөлмелік температура кезде валенттік аймақтан өткен электрондармен барлық акцепторлық деңгейлер толтырылады. Валенттік аймақта кемтіктердің үлкен шоғырлануы пайда болады.
Кемтіктердің шоғырлануы Nд еңгізген акцепторлық қоспаның шоғырлануымен белгіленеді. Валенттік электрондар кең рұқсат етілген р.е. аймақтан жылу генерация кезде өткендер кемтікті бұған қарағанда шамалы құрады. Сол себептен, p-түрлі жартылай өткізгіште pр кемтіктердің шоғырлануы nр еркін электрондардың шоғырланудан едәуір үлкен. Кемтікті жартылай өткізгіште ток негізінде кемтіктермен тасымалдайды. Бұл жағдайда кемтіктер негізгі заряд тасушылар, ал электрондар - негізгі емес заряд тасушылар болады.
Сонымен, қоспалы жартылай өткізгіштерде негізгі заряд тасушылардың шоғырланулары (nn - электронды жартылай өткізгіште) қоспа еңгізу арқылы құрылады, ал негізгі емес заряд тасушылар (p n, nр - сәйкесті электронды және кемтікті жартылай өткізгіштерде) - валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа жылулық генерация есебімен заряд тасушылардың өтуімен құрылады.
Электр өріс және заряд тасушылардың біркелкі емес шоғырлануы болды. Заряд тасушылардың реттеулік қозғалысын құрады, яғни токты. Электр өрістің әсерлігімен заряд тасушылардың бағытталған қозғалысы дрейф деп аталады, ал заряд тасушылардың шоғырланудың айырымы әсерлігімен бағытталған қозғалыс диффузия деп аталады.
1.2 Жартылай өткізгіш диодтар
Әрекет принципі және диодтың вольт-амперлі сипаттамасы
Диод - екі электроды бар бір жаққа ток өткізумен ие болатын жартылай өткізгіш элемент. Айнымалы токты түзетілген токқа түрлендіруге қолданады.
а) б) в)
1.7 сурет - Жартылай өткізгіш диод: а) диодтың жартылай өткізгіш құрылымы; б) диодтың шартты сызықты белгісі; в) диодтың өте жақсы вольт-амперлі сипаттамасы
Диодтың екі қабаты бар: біреуінің кемтікті өткізгіштігі бар (p), екіншінің электронды өткізгіштігі бар (n).
Диодтың әрекет принципі p және n қабаттардың шекарасында (p - n өткелде) өтетін үрдістермен негізделген.
Сыртқы кернеу жоқ кездегі p - n өткелдегі электр үрдістер
Негізгі заряд тасушылармен бірге негізгі емес тасушылар әрбір қабатта бар. Олар негізгі материалдың электрондары валенттік аймақтан еркін деңгейлердің аймағына өтумен құрылады.
1.8 сурет - Өткізгіштің p - n құрылымында p - n өткелдің құрылуы:
а) өткізгіштің p - n құрылымы;
б) заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы;
в) p - n өткельде токтың құраушылары;
г) зарядтың таралуы;
д) өрістің кернеулігінің диаграммасы;
е) p - n өткелдегі потенциалдық тосқауыл.
Ең көп тараған, қабаттарда негізгі заряд тасушылардың (pр және nn) шоғырланулар бірдей емес p - n құрылымдар қолданады. Қабаттардың АВ бөлінуі шекарада бір атты заряд тасушылардың шоғырлануының айырымы пайда болады: олар бір қабатта негізгі, ал басқада - негізгі емес. Шекаралық салада шоғырланудың айырмасының әрекетімен негізгі заряд тасушылардың қарама-қарсы диффузиялы қозғалыс бөліну шекара арқылы басталады. p саладан кемтіктер n салаға диффузиялайды, ал n саладан электрондар - p салаға диффузиялайды. n салаға кірген кемтіктер бұл саладағы электрондармен рекомбинацияға кіреді, p салаға кірген электрондар бұл саладағы кемтіктермен рекомбинацияға кіреді.
Қабат бөліну шекара арқылы заряд тасушылардың диффузиялық қозғалысы шекаралық салаларда қоспа атомдардың иондары көлемді зарядтарды құрады. p қабаттан кемтіктер кеткен кезде, қоспалардың акцептор атомдарының қалған теріс иондар теріс көлемді зарядты, ал n қабаттан электрон кеткен кезде, қоспалардың донор атомдарының қалған болымды иондар болымды зарядты құрады. p - n өткелде көлемді зарядтың таралу қисығы 1.8, г - суретте көрсетілген.
Шекаралық p салада электрондардың шоғырлануы, ал шекаралық n салада кемтіктердің шоғырлануы үлкейеді (1.8, б - сурет). p - n өткелде көлемді заряд болғандықтан электр өріс және потенциал айырымы құрылады. Е(х) және (х) қисықтар 1.8, д, е - суреттерде көрсетілген.
Көлемді зарядпен құрылған ішкі электр өріс өткел арқылы екі жаққа заряд тасушылардың ағындарының теңістігін қамтамасыз етеді, яғни қосынды токтың сыртқы электр өріс жоқ кезде нөлге теңдігін. Бұған себеп - потенциалды тосқауылы 0 ішкі электр өріс (1.8, е - сурет) негізгі заряд тасушыларға бөгет болады, ал негізгі емес заряд тасушылардың өтуін тездетеді. Сонымен, ішкі элект өріс Jдиф. диффузиялы токтың тығыздығын азайтады, ал Jдр. дрейфтік токтың тығыздығын үлкейтеді.
Дрейфтік токтың бағыты диффузиялық токтың бағытына теріс болады.
Сыртқы кернеу бар кезде p - n өткелде электр үрдістер
Сыртқы кернеу p - n құрылымға тік бағытталған, яғни + p аймақтың шықпасына, ал - n аймақтын шықпасына қосылған.
1.9 сурет - Тік бағытта сыртқы кернеу қосылғанда жартылай өткізгіш диод:
а) қосылу сұлбасы;
б) тік кернеу кезіндегі потенциалды тосқауыл;
в) заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы.
1.10 сурет - Диодтың вольт-амперлі сипаттаманың тура тарамы
Көздің құрған электр өрісі ішкі электр өріске теріс бағытталған, ал бұл жағдайда p - n өткелде нәтижелі өріс азаяды. Өткелде екі таңбалы көлемді заряд жиналады. Оның шамасына шекаралық қабаттардағы 0 шамасымен бірге Uа сыртқы кернеу жұмыс істейді. Өткелдегі көлемдік зарядқа сыртқы кернеу жоқ кездегіден шамасы аз 0 - Uа кернеу сәйкес болады. 0 - Uа шама сыртқы кернеуді тура бағытта қосқанда потенциалды тосқауылдың биіктігін белгілейді (1.9, б - сурет). Көлемді зарядтың азайғаны p - n өткелді тарылтады. Потенциалды тосқауылдың азайғаны бөліну шекара арқылы диффузия әрекетімен негізгі заряд тасушылардың өтуін жеңілдетеді, ал бұл жағдай өткел арқылы өтетін диффузиялық токты үлкейтеді (1.9, в - сурет).
Өткелден өтетін дрейфтік токтың шамасы өзгермейді. Диффузиялық және дрейфтік токтардың айырымы нәтижелі токты белгілейді. Тура токтың тығыздығы
Jа = Jдиф. - Jдр.
Сыртқы кернеу өскенде диффузиялық ток өседі, яғни өткел арқылы тура ток өседі. p - n өткелдің вольт-амперлі сипаттамасы 1.12 суретте келтірілген.
1.11 сурет - Сыртқы кернеуді теріс бағытқа қосқанда жартылай өткізгіш диод:
а) қосу сұлбасы; б) теріс кернеу кезіндегі потенциалды тосқауыл; в) заряд тасушылардың шоғырлануларының таралуы; г) вольт-амперлі сипаттаманың кері тарамы.
Сыртқы кернеуді кері бағытта қосқанда (1.11, а - сурет) потенциалды тосқауыл Uб шамаға өседі де 0 + Uб тең болады (1.11, б - сурет). Бұл жағдайда көлемді заряд үлкейеді, сол себептен p - n өткелден негізгі зарядтардың өтуі қиындалады, яғни диффузиялық ток азаяды. Негізгі емес заряд тасушылардың шоғырланумен себепші болатын дрейфтік ток өткелдің екі жағында өзгейрмейді (1.11, в - сурет), бірақ та енді оның шамасынан үлкен болады. Диод арқылы кері ток ағады
Iб = Iдр - Iдиф
Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы 1.12 - суретте көрсетілген.
1.12 сурет - Диодтың толық вольт-амперлі сипаттамасы
Диодтың тура тоғы негізгі, ал кері тоғы негізгі емес зарядтармен құрылады. Негізгі заряд тасушылардың шоғырлануы көп есе негізгі емес заряд тасушылардың шоғырлануынан үлкен.
1.3 Биполярлы транзисторлар
Транзистор - үш электроды бар басқарылатын жартылай өткізгіш элемент. Транзистор күшейту және серпінді сұлбаларда кең қолданылады. Оның артықшылықтары - қыздыруы жоқ, кіші көлемі және бағасы, жоғары сенімділігі.
Биполярлы транзистор үшқабат жартылай өткізгішті құрылымы және оның екі p - n өткелі бар. Қабаттардың кезектестіруге тәуелділікке байланысты транзистордың p - n - p және n - p - n түрлері болады (1.13 а, б - сурет). Электронды сұлбаларда көрсетілетін шартты белгілер 1.13 в, г - суреттерде көрсетілген.
1.13 сурет. p - n - p (а) және n - p - n (б) түрлі транзисторлардың жартылай өткізгіш құрылымы; олардың электронды сұлбалардағы шартты белгілері (в,г)
Үшқабатты құрылым алу үшін негізгі материал ретінде германий және кремний пайдаланылады. Жартылай өткізгіштің n түрлі табақ құрылымның табаны (база) ретінде болады. Екі сыртқы p қабаттар негізгі материалға акцепторлық қоспаны еңгізу арқылы құралады. Бір қабат эмиттер деп, екінші коллектор деп аталады.
Эмиттер өткелдің тағайындауы - заряд тасушыларды базаға еңгізу, коллекторлық өткелдің - базалық қабаттан өткен заряд тасушыларды жинау.
n - p - n түрлі транзисторларда барлық үш қабаттардың тағайындауы және аттары іспеттес, тек база арқылы өтетін заряд тасушылардың түрі өзгереді: p - n - p түрлі аспаптарда - бұл кемтіктер, n - p - n түрлі аспаптарда - электрондар.
Транзистордың әрекет принципі және оның негізгі параметрлері
Биполярлы транзистордың әрекет принципін p - n - p түрлі құрылымы бар аспаптан қарап шығамыз (1.14 сурет). Алдымен транзисторлық құрылымның қабаттарында заряд тасушылардың шоғырлануының тарауын және сыртқы кернеулер жоқ кезде p - n өткелдердің көлемді зарядтармен құрылатын потенциалдар айырымдарын көрсетеміз (1.14 б, в - сурет).
Сыртқы кернеулер жоқ кезде үш қабаттың бөліну шекараларында көлемді зарядтар құрылады, ішкі электр өріс пайда болады және қабаттар арасында ішкі потенциал айырымы әрекет етеді. Әрбір өткелде потенциалды тосқауыл өткел арқылы өтетін бір-біріне қарсы заряд тасушылардың диффузиялы және дрейфті ағындардың тепе-теңдігін құрады, яғни өтетін ток нөлге тең. Егерде нөлдік деңгей ретінде базаның потенциалын алсақ, онда сыртқы кернеулер жоқ кезде транзистордағы потенциалдардың айырымдарының тарауы түрі 1.14, в - суретте көрсетілгендей болады.
Эмиттерлік өткелді тура бағытта, ал коллекторлық өткелді теріс бағытта ығысуды қамтамасыз ететін сыртқы кернеулер транзисторға қосылады. Бұны екі көз арқылы орындайды (1.15, а - сурет). Uэб кернеуді базаға қарай болымды полюспен элементтерге қосады, Uкб кернеуді базаға қарай теріс полюспен коллекторға қосады.
1.14 сурет - Сыртқы кернеулер жоқ кезде p - n - p түрлі транзисторлық құрама (а); заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы (б); потенциалдардың айырымы (в)
1.15 сурет - Сыртқы кернеулер бар кезде p - n - p түрлі транзисторлық құрама (а); заряд тасушылардың шоғырлануының тарауы (б) және ішкі потенциалдардың айырымы (в)
Эмиттерлік өткелде сыртқы кернеу Uэб тура бағытта әрекет істеп тұрғандықтан кемтіктер үшін (эмиттер қабатында негізгі заряд тасушылар) потенциалды тосқауыл төмендейді де, кемтіктер диффузияның әрекетімен эмиттерден үлкен мөлшер болып базаға өтеді (1.15, б, в - сурет) Оған ұқсас электрондардың диффузиялы ағыны (база саласындағы негізгі заряд тасушылар) эмиттерге үлкейеді.
Эмиттердің өткеліндегі және эмиттердің тізбегіндегі ток
Iэ = Iэр + Iэп
Токтың кемтікті құрастырушысы Iэр базаға эмиттерге өтетін кемтіктердің ағынымен құралады. Келесіде кемтіктердің көбісі коллекторға жетеді де транзистордың коллекторлық тоғын құрайды. Токтың электронды құрастырушысы Iэп эмиттерге базадан өтетін электрондардан құралады. Ол көз арқылы кіріс тізбек арқылы тұйықталады да пайдалы қолданбайды (коллекторлық токты құруға қатыспайды). Сонымен, эмиттерлік өткелдің міндеті және эмиттерлік өткелдегі процестер заряд тасушыларды (кемтіктерді) базаға еңгізуде.
Базалық қабаттағы процестер базаға эмиттерлік өткел арқылы өткен кемтіктермен белгіленеді. Еңгізген кемтіктер эмиттердің қасындағы базалық қабатта кемтіктердің шоғырлануын өсіреді (1.15, б - сурет).
Тепе-теңдік шоғырлану Рnо қарағанда, еңгізілген кемтіктер базалық қабатқа өткенде эмиттердің қасындағы базалық қабатта кемтіктердің шоғырланыун үлкейтеді. Эмиттерлік өткелдің шекарасында Рn (0) шоғырлану құрылады (1.15, б - сурет). Uэб кернеуден тәуелді бұл шоғырланудың шамасы мынаған тең:
мұндағы Т - жылулық потенциал.
Рn (0) шоғырланудың әсерімен базада коллекторға қарай кемтіктердің диффузиялы қозғалысы дамиды, яғни кіші шоғырлану жаққа. Базада коллекторлық өткелдің шекарасында кемтіктердің шоғырлануы нөлге жақын орнатылады. Оған себеп болғаны - диффузия әсерімен коллекторлық өткелге жеткен кемтіктер өткелдің өрісімен тездетіледі де, коллекторға тасталады.
Базадағы көрсетілген кемтіктердің қозғалысы тек бағаның көлемінде электрондардың саны кемтіктердің санына тең болғанда, яғни база электр бейтарапты болғанда.
Базада кемтіктер және электрондар болғандықтан диффузия процесс кезінде кемтіктердің кейбір бөліктері электрондармен рекомбинациялайды. Рекомбинацияның нәтижесінде коллекторға жеткен кемтіктердің саны эмиттерден түскен кемтіктерден аз болады.
Сонымен бірге кемтіктердің рекомбинациясы кемтіктерді қарымталауға керек электрондардың жеткіліксіздігін құрады. Керекті электрондар базалық ток Iб құрып базалық тізбектен түседі. Бұған сәйкес транзистордың кемтікті ток құрушылар үшін
Iэр = Iкр + Iбр
Коллекторлық p - n өткел оған жеткен кемтіктерді коллекторлық салаға өткізіп жіберуге арналған (1.15, в - сурет).
Коллекторлық ток Iк эмиттердің тоғымен токтың беріліс коэффициенті -мен былай байланысқан:
шамасы 0,9 - 0,99.
Транзистордың токтары үшін негізгі байланыс Кирхгофтың бірінші заңы бойынша құрылады:
Iэ = Iк + Iб
Транзистордың вольт-амперлі сипаттамалары
Әртүрлі сұлбаларда транзисторларды қолданған кезде, кірісте кернеу және ток арасындағы тәуелділік (кіріс сипаттамалар) және шығыс кернеу және ток арасындағы тәуелділік (шығыс сипаттамалар) пайдаланады.
Транзисторды қосудың үш әдісі бар: ортақ базамен (ОБ), ортақ эмиттермен (ОЭ) және ортақ коллектормен (ОК).
Ортақ эмиттері бар сұлба (1.16 сурет)
ОЭ бар сұлбада транзистордың кіріс және шығыс тізбектері эмиттердің шықпасына ортақ болады. Uбэ, кернеулер базамен эмиттердің аралығына және Uкэ коллектормен эмиттердің аралығына беріледі. Uбэ кернеу эмиттерлік өткелдегі кернеуді белгілейді. Коллекторлық өткелдегі кернеу Uкэ - Uбэ тең. ОЭ бар сұлбада транзистордың шығыс сипаттамаларын Iб = const кезде тәуелділік анықтайды (1.17, а - сурет).
1.16 - сурет. Ортақ эмиттері бар
транзистордың сұлбасы.
а) б)
1.17 сурет - Шығыс (а) және кіріс (б) сипаттамалар
Коллекторлық сипаттамалар координат басынан басталады. Uкэ = 0 коллекторлы өткелде кернеу Uбэ тең, коллекторлы өткел ашық, базаға кемтіктер еңгізіледі.
Кемтіктердің ағыны коллекторлық өткел арқылы (коллектордан базаға және эмиттерден коллекторға) бір-бірін теңестіреді де ток Iк = 0. Uкэ кернеу үлкейген сайын коллекторлық өткелдегі кернеу төмендейді де ток I үлкейеді.
ОЭ бар сұлбада аналитикалық түрде жазылған коллекторлық сипаттамалар
Iк =
мұнда - токтың беріліс коэффициенті;
= 0,9 - 0,99 болғандықтан;
Iко - жылулық ток.
Сонымен, транзистор ОЭ бар сұлбада токты үлкейтеді. Бұл маңызды артықшылық, ал сол себептен ОЭ бар сұлбалар кең қолданылады.
Кіріс (базалық) сипаттамалар коллектормен эмиттердің арасындағы кернеу Uкэ тұрақты кезде базаның тоғы Uбэ база эмиттер арасындағы кернеуден тәуелділікті көрсетеді, яғни Iб = f (Uбэ) (1.17, б - сурет).
Uкэ = 0 тең кезде сипаттама параллельді қосылған екі p - n өткелдердің (эмиттерлік және коллекторлық) вольт-амперлі сипаттаманың тура тарамына сәйкес. Базаның тоғы бұл жағдайда коллектордың және эмиттердің токтарының қосындысына тең.
Uкэ 0 базаның тоғы эмиттердің тоғының шамалы бөлігіне тең. Uбэ белгілі кезде Uкэ 0 беру Iб токты азайтады, яғни Uкэ = 0 кездегі сипаттамаға қарай сипаттамалар төменге ығысады.
Iб база тоғының ішінде коллектордың Iко жылулық тоғы бар. Сондықтан Uкэ 0 кезде кіріс сипаттамалар Iко тең база тоғының теріс мәндерінен басталады.
1.4 Тиристорлар
Тиристор - төртқабатты, үш p - n өткелі бар жартылай өткізгіш аспап. Тиристордың екі жағдайы бар: ашық және жабық.
Тиристорды жабық жағдайдан ашық жағдайға келтіру үшін аспапқа сыртқы әсер арқылы жүзеге асырылады.
Тиристордың үш электроды бар: А-анод, К-катод, БЭ-басқару электроды. Тиристордың шартты белгісі 1.18 суретте көрсетілген. Тиристорды өңдеу үшін кремний қолданады.
1.18 сурет - Тиристордың шартты 1.19 сурет - Триодты
белгісі тиристордың құрылымы
Тиристорды қоректендіру кернеу суреттегі сияқты берілген кезде θ1 және θ3 өткелдер ашық, ал θ2 өткел жабық. Кернеу Uтік θ жабық өткелге салынады. Оның кедергісі үлкен болғандықтан ток (1.20 сурет). Uтік кернеуді үлкейткен кезде (қоректендіру көздің Еа ЭҚК-ін үлкейту арқылы) тиристордың тоғы шамалы өседі. Uтік кернеу Uқос қосу кернеуге тең болғанда заряд тасушылардың саны тасқынды өседі. Бұған себеп θ2 өткелде жылжып бара жатқан электрондармен және кемтіктермен заряд тасушылардың өсуі. n2 қабаттан электрондар, р1 қабаттан кемтіктер р2 және n1 қабаттарға ұмтылып, оларды негізгі емес заряд тасушылармен қанықтырады. R кедергідегі кернеу өседі, тиристрдағы кернеу азаяды. Тесілуден кейін тиристордағы кернеу 0,5-1 В дейін төмендейді. Мұндай тесілу θ2 өткелді бұзбайды, ток азайған кезде өткелдің жоғары кедергісі орнына қайтады.
1.20 сурет - Тиристордың вольт-амперлі сипаттамасы
1.21 сурет - Басқарылатын VS тиристоры бар бір жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы (а); қоректену кернеуі u1 (б); басқару серпіндер (в); түзетілген кернеу (г) және ток (д)
Басқару серпіндердің iб фазасын өзгертіп, тиристордың ашылу уақытын өзгертеді, ал сонымен бірге түзетілген кернеуді және токты өзгертеді. Серпін iб басқару жүйеден келіп түседі.
Бір жартыпериодты түзету кезде, фазаны нөлден -ге дейін өзгерткен кезде түзетілген кернеу uR = Ri Uтік -ден нөлге дейін өзгереді.
Тиристорлар арқылы түзетілген кернеуді өзгертумен бірге, тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіруге болады. Теріс бағытта тиристордың тесілуі болмас үшін теріс кернеу Uтер.max аз болу керек.
Тиристорлар 2000 А токқа және қосу кернеулері Uқос.=4000В дейін шығарылады. Басқарылатын түзеткіш ретінде тиристорлар кең қолданылады.
Екінші тарау
Электронды түзеткіштер
2.1 Түзеткіш туралы жалпы мәліметтер
Түзеткіш - айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіретін құрылғы.
Мұндай түрлендіру, егерде тұтынушының қоректенуі тұрақты токпен орындалса, ал электр энергияның көзі айнымалы токтың көзі болса, қажетті болады. Түзеткіштер әртүрлі электронды аспаптарда кең қолданады, себебі - бұл аспаптардың бөліктерінің көбісі тұрақты токпен қоректенеді.
2.1 суретте түзеткіштің құрылыма сұлбасы көрсетілген.
2.1 сурет - Түзеткіштің құрылымдық сұлбасы
2.2 сурет - Бірфазалы түзету кездегі уақыттық диаграммалар
Құрылымдық сұлбаның негізі - белгілі сұлба бойынша бір немесе бірнеше диодтардан жиналған түзеткіш. Шығыста тұрақты кернеудің талап ететін шамасын алу үшін, тапсырылған біріншілік u1 кернеуді екіншілік u2 кернеуді үлкейтуге немесе кішірейтуге трансформатор қойылады (2.2 а, б - сурет).
Түзетудің принципі - диодтік сұлба арқылы u2 кернеудің екі полярлық қисығынан ud кернеудің бір полярлық жартытолқынды қисығын алу (2.2 в - сурет).
ud кернеу түзетілген кернеудің қисығын сипаттайды. Оның тұрақты құрастырушысы Ud түзетілген кернеудің орташа мәні.
Түзетілген кернеудің қисығында тұрақты құрастырушымен бірге айнымалы (толықсу) құрастырушысы бар. Айнымалы құрастырушының қажеттігі жоқ. Сол себептен, түзеткіштің шығысына тегістеуші сүзгіні қосу арқылы түзетілген кернеудің сүзгілеуін орындайды.
Түзеткіштерді диодтардың түрлері, олардың қосу сұлбалары және айнымалы кернеу көздің фазалар бойынша айырады. Сонымен бірге түзеткіштер басқарылмайтын және басқарылатын болып бөлінеді.
2.2 Бір жартыпериодты түзеткіш
2.3 сурет - Бір жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы
2.4 сурет - Трансформатордың екіншілік орамасындағы кернеу u2 (а); түзетілген ток i2, токтың тұрақты құрастырушысы Id (б).
Айнымалы синусоидалы кернеу u2 диодқа ұмтылады. Диодтың біржақты өткізгіштігі болғандықтан i2 ток тек u2 кернеудің болымды жартылай период кезінде өтеді, сондықтан токтың түрі серпінді болады (2.4 б - сурет).
Токтың Id тұрақты құрастырушысы бұл токтың Rж жүктеме арқылы жартыпериод ішінде өтетін i2 токтың орташа мәнімен белгіленеді
i2 = I2т sin болғандықтан
мұнда T = 2, сондықтан
(2.2)
Түзетілген кернеудің тұрақты құрастырушысы Ом заңы бойынша тең
(2.3)
Ud кернеудің шамасын түзеткішті есептеген кезде тапсырады.
(2.3) негізінде U2 белгіленеді, ал көздің U1 кернеу арқылы трансформация коэффициенті белгіленеді ( ).
U2 кернеудің теріс жартылай период кезінде диод Д кері кернеудің U2т әсерінде болады. Сондықтан Uкер. max = U2т = 3,14 Ud.
Бір жартыпериодты түзету сұлбада жұмыс істеуге диодты таңдаған кезде мына жағдайлар орындалу керек: Uкер.д 3,14 Ud, Iорт.д Id.
Түзеткіштің жұмысын сипаттайтын маңызды көрсеткіші - толықсу коэффициент
(2.4)
мұнда U1т - жүктемедегі айнымалы кернеудің бірінші гармониканың амплитудасы.
Бір жартыпериодты түзеткіш үшін U1т ==1,57 Ud, яғни = 1,57.
Бір жартыпериодты түзеткіш үшін үлкен болғаны бұл сұлбаның негізгі кемшілігіне жатады.
2.3 Екі жартыпериодты түзеткіш
а) Нөлдік шықпасы бар бір фазалы екі жартыпериодты түзеткіш
Түзеткіштің сұлбасы 2.5 суретте көрсетілген. Түзеткіштің қажетті бөлігі ретінде екі екіншілік орамалар W2-1 және W2-2 бар күштік трансформатор Тр. Олар біріншілік орама W1 трансформация коэффициент арқылы байланысқан. Орамалардың қосылу сұлбасы екіншілік ораманың шықпаларындағы шамасы бойынша бірдей кернеулерді жалпы (нөлдік) нүктеге қатысты фаза бойынша 1800 ығыстырады. Трансформатордың екіншілік орамалары Д1 және Д2 диодтың анодтарына қосылады.
Шығыс кернеу Ud трансформатордың нөлдік нүктесімен екі диодтың катодтарының қосылу жалпы нүктесінің арасынан алынады. Болымды полярлығы бар u1 кернеудің жарты толқыны түскенде (2.5,б - суретте 0- аралық) трансформатордың екіншілік орамаларында u2-1 және u2-2 кернеулер әрекет етеді (2.5, в -сурет). Д1 диодтың анодына нөлдік түйінге қарай болымды полярлығы бар кернеу ұмтылады, ал Д2 диодтың анодына кері. Анодтардағы көрсетілген кернеулердің полярлығы болған кезде Д1 диод ашық, ал Д2 диод жабық. u2-1 кернеу Rж жүктемеге ынта салынады да жүктемеде ud кернеуді құрады. Бұл аралықта диодтың анодтық ток жүктеме тоғына тең iа1= id = (2.5 д, е - сурет).
2.5 сурет - Бір фазалы екі жартыпериодты түзеткіштің сұлбасы (а) және оның уақытты диаграммалары (б-ж)
Теріс полярлығы бар u1 кернеудің жарты толқыны түскенде (2.5 б-суреттегі -2 аралық) екіншілік орамалардағы кернеулердің полярлықтары кері болып қалады (2.5, в - сурет). Д2 диод ашық, ал Д1 диод жабық.
Енді сұлбадағы токтар iа2= id = (2.5 д, ж - сурет).
Содан кейін процесс қайталанады: кезек-кезек Д1 және Д2 диодтар токты өткізеді.
Сұлбадағы кернеулер және токтар уақыт бойынша диаграммаларға сәйкес өзгереді (2.5 б, ж - сурет).
Кернеудің тұрақты құрастырушысы Ud кернеу u2 орташа мәнімен белгіленеді
(2.5)
Түзеткішті есептегенде Ud тапсырылған болғандықтан, екіншілік кернеуді табамыз
= 1,1 Ud (2.6)
Трансформация коэффициенті тең (2.7)
Толықсу коэффициенті 0,67 (2.8)
m=2 - түзету фазалардың саны.
Диодтың түрін белгілегенде әрбір диодтан өтетін токтың орташа мәнін Iа және оларға ынта салынатын максималды кері кернеуді Uкер.max білу керек.
Диод арқылы ток I d кезекше өтеді, сол себептен әр диод орташа ток Iа тең
Iа= (2.9)
Кері кернеу жабық диодқа ынта салынады, яғни екінші диод ашық кезде жабық диодқа екі екіншілік орамалардың қосынды кернеулері әрекет етеді
Uкер.max= 2U2т=PIUd (2.10)
Күштік трансформаторды есептеген кезде оның орамалары арқылы өтетін I1 және I2 токтардың мәндерін білу керек.
I2= (2.11)
(2.12)
мұнда - трансформация коэффициенті.
Трансформатордың қуаты
SТ = Ud I1=1,23 Ud Id (2.13)
б) Бір фазалы көпірлік түзеткіш
Түзеткіштің сұлбасына күштік трансформатор және төрт диодтардан жиналған түзеткіш көпір кіреді (2.6 а)-сурет).
Шығыс кернеу U2 кернеудің жарты толқынды бір полярлық түріндей болады (2.6 в)-сурет). Бұл жағдай Д1, Д2 және Д3, Д4 диодтардың кезек-кезек ашылу нәтижесінде пайдалы болады.
Д1, Д2 диодтар U2 кернеудің жарты толқыны болымды болғанда (0-PI аралық) ашық. Ашық Д1, Д2 диодтар U2 кернеудің шамасына және полярлығына тең Ud кернеуді жүктемеде құрады (2.6 в) - сурет).
U1 кернеудің жарты толқыны теріс кезінде - 2аралықта U2 кернеудің полярлығы кері болады (2.6 в) - сурет). Оның әсерімен Д3, Д4 диодтар ашылады да, жүктеме U2 кернеуге қосылады. Полярлық 0 - аралығындай (2.6 а, в- сурет).
2.6 сурет - Бір фазалы көпірлік түзеткіштің сұлбасы (а) және оның уақытты диаграммалары (б-е).
Трансформатордың нөлдік шықпасы бар және түзетілген кернеу Ud және U2 көпірлік түзеткіштер үшін Ud кернеудің қисығы бірдей болғандықтан, 2.6 сұлба үшін кернеудің әрекет мәні арасындағы (2.5) және (2.6) күшінде қалады.
Сонымен бірге (2.8) қатынас өзгермейді.
Кері кернеу өткізбейтін екі диодқа бір уақытта ынта салынады.
Кері кернеудің максималды мәні
Uкер.max= 2U2т = Ud (2.14)
Яғни нөлдік түйіннің шықпасы бар сұлбаға қарағанда екі есе аз. I2 токты келесі кейіптеме арқылы табады
I2 = (2.15)
I1 ток I2 және Id токтармен келесі қатынаспен байланған
I1 = (2.16)
Трансформатордың қуаты
SТ = Ud I1=1,23 Рd (2.17)
2.4 Нөлдік шықпасы бар үш фазалы түзеткіш
2.7 сурет - Нөлдік шықпасы бар үш фазалы басқарылмайтын түзеткіш (а) және активтік жүктеме кездегі уақытта диаграммалар (б-е)
Басқарылмайтын нөлдік шықпасы бар түзеткіштің сұлбасына екіншілік орамасы жұлдызша қосылған трансформатор кіреді (2.7 а -сурет). Екіншілік ораманың шықпалары диодтардың үш анодымен байланысқан. Жүктеме диодтардың катодтарының қосылған жалпы нүтесімен екіншілік ораманың нөлдік шықпасының арасына қосылады.
2.7 б - суретте нөлдік нүктеге қарай трансформатордың екіншілік орамасының үш фазалық жүйесі көрсетілген (иа, ив, ис фазалы кернеулер).
Диодтар токты екіншілік кернеулердің болымды полярлықтары болған кезде өткізеді. Бірақта ашық жағдайда тек фазалық кернеуі басқа екі диодтың фазалық кернеулерінен жоғары болған диод болады.
Өткізбейтін диодтар оның фазалық кернеуінің және өткізетін диодтың фазалық кернеуінің айырымына тең кері кернеумен бекітіліп қалады. -аралықта ашық жағдай 1 диод үшін орындалады, - аралықта - 2 диод үшін, - аралықта - 3 диод үшін, - - қайтадан 1 диод үшін және сол сияқты ары қарай. Нәтижеде жүктемеде бір полярлы толықсу иd кернеу әрекет істейді (2.7 в - сурет). Жүктеме активтік кезде id = токтың қисығы иd кернеудің түріндей болады (2.7 в - сурет). Көрсетілген диодтардың ашылу кезегіне анодтар токтарының қисықтары сәйкес (2.7 г-е - сурет).
Түзетілген кернеудің орташа мәнін штрихталған аудан бойынша табамыз (2.7 в - сурет):
(2.18)
Мұндағы U2 - трансформатордың екіншілік орамадағы фазалық кернеудің әрекет мәні.
Ud және U2 кернеулерді байланыстыратын коэффициент бір фазалы сұлбадағы коэффициенттен үлкен, онда Ud =0,9 U2. Бұған байланысты трансформаторды U2=0,85 Ud кернеуге есептеуге керек, яғни бір фазалы сұлбадағы кернеуден аз шамаға (U2=1,1 Ud). Толықсу коэффициентің шамасы да кішірейеді, яғни 0,25 тең.
Диодтардың орташа тоғы
Iа= (2.19)
Диодтарды таңдаған кезде максималды кері кернеу сызықты екіншілік кернеудің амплитудасына тең
Uкер.max= (2.20)
Екіншілік ораманың iа2, ib2, iс2 диодтардың сәйкесті токтарымен белгіленеді (2.7 г-е - сурет).
2.5 Бір фазалы токтың басқарылатын түзеткіштері
Көп жағдайда Ud түзетілген кернеудің шамасымен басқару жағдай туады (мысалы, тұрақты ток қозғалтқыштың айналу жиілігін реттеу кезде).
Жүктемедегі кернеуді реттеу кезінде фазалық әдіс кең қолданады. Бұл жағдайда түзеткіштің сұлбасында басқарылатын диод - тиристор пайдалынады. Мұндай түзеткіш басқарылатын деп аталады. Бір фазалы басқарылатын түзеткіштер трансформатордың нөлдік шықпасы бар және көпірлік сұлба ретінде орындалады. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz