Аблязов В.И. Программное управление станками и комплексами

Подождите немного. Документ загружается.

14.10.09

При этом, в отсутствии внешнего напряжения Е или даже при небольшом

его положительном значении (< U

) в цепи может протекать обратный ток. То

есть прибор не потребляет, а вырабатывает энергию. В этом режиме (U>0, I<0)

работают солнечные батареи и называется он "режимом фотогенератора".

В режиме фотопреобразователя (3 квадрант) фотодиод потребляет энергию

от внешнего источника Е. Для построения н а г р у з о ч н о й п р я м о й на гори-

зонтальной оси нужно отложить напряжение источника Е (падение напряжения на

ФД при нулевом токе нагрузки), а на вертикальной оси – ток короткого замыка-

ния (ФД) Е/R

.Прямая, и соединяющая эти точки, и является нагрузочной прямой.

Пересечение нагрузочной прямой с вольт-амперными хар-ками ФД позволяет оп-

ределить напряжение на нагрузке R

н .

. Из графика видно, что при отсутствии ос-

вещения напряжение на ФД будет максимальным U

темн

. При увеличении освеще-

ния ток в ФД возрастает, а напряжение на нем падает

Большинство ФД работает в широком диапазоне длин волн, как видимого,

так и невидимого диапазона. Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10

…1мкА.

С в е т о и з л у ч а ю щ и е д и о д ы преобразуют электрическую энергию в

световое излучение в видимом диапазоне волн (0,38…0,78мкм). Обычно излуче-

ние лежит в узкой полосе частот (определенный цвет). Имеются светодиоды, ме-

няющие полосу частот (свет) при изменении тока.

Т и р и с т о р а м и называют полупроводниковые приборы с двумя устой-

чивыми состояниями: включен, выключен. Тиристор имеет три или более p-n-

переходов. Обычно тиристор имеет три вывода: анод, катод и управляющий.

Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах элек-

троники: управляемые выпрямители, инверторы (преобразуют постоянное напря-

жение в переменное).

Тиристор не будет проводить до тех пор, пока не протечет импульс тока в

цепи запуска от управляющего электрода к катоду. Если запуск произошел, то в

действие вступает регенеративный процесс и тиристор продолжает проводить до

тех пор, пока источник напряже-

ния не будет удален.

Тиристор является четы-

рехслойным устройством (р-п-р-

п). Однако его условное обозна-

Интенсивность

излучения



, мкм

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

СИД

Зеленый

расный

ИК

GaP

GaAs

N P P N

14.10.09

МТ1

МТ2

чение выглядит просто как выпрямляющий диод с дополнительным управляю-

щим электродом.

Включение тиристора осуществляется подачей положительного напряжения

на управляющий электрод относительно катода. Причем, чем больше ток управ-

ления, тем при меньшей величине напряжения U

АК

происходит включение тири-

стора. Для выключения тиристора на практике на него подают напряжение U

АК

0, и поддерживают это напряжение в течение времени большего, чем время вы-

ключения тиристора (1…20мкс). После указанной выдержки времени на тиристор

можно снова подавать положительное напряжение U

АК

и он при этом остается за-

крытым до подачи импульса управления.

Существуют так называемые запираемые тиристоры, которые могут быть

выключены с помощью тока управления.

Тиристоры широко используются для управления мощностью. Например,

при питании двигателя переменным напряжением, последовательности запус-

кающих импульсов по отношению к переменному напряжению источника опре-

деляет долю периода, в пределах которой открывшийся тиристор пропускает сиг-

нал. Тиристор автоматически выходит из состояния проводимости в конце каждо-

го полупериода, поскольку входное напряжение уменьшается до нуля.

Симметричные тиристоры, получившие название с и м и -

с т о р ы или триаки, осуществляют включение тока в обоих на-

правлениях. При двух управляющих электродах управляющие

сигналы на них подаются разнополярными.

Симметричный тиристор может иметь только один управ-

ляющий электрод. При этом переключение его в проводящее со-

стояние осуществляется как

положительным, так и отрицательным

импульсом запуска независимо от

мгновенной полярности напряжения. Названия



–

Импульс

+ пуска

–

Динистор

нагр

МТ1

МТ2

14.10.09

катод и анод теряют смысл для симистора, ближайший (по технологии изготовле-

ния) к управляющему выводу электрод, не мудрствуя лукаво, назвали основным

выводом 1 (МТ1), а другой – основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс

всегда подается относительно вывода МТ1, также, как в случае тиристора он по-

дается относительно катода.

Тиристоры, которые не имеют управляющих электродов, а имеют только

два силовых электрода, называют неуправляемыми или д и н и с т о р а м и . Ос-

новное назначение динисторов - работа в симисторных регуляторах мощности.

Часто симистор используют для управления мощностью питания двигате-

лем, яркостью лампы и др. (рис.). Временное положение запускающих импульсов

устанавливается RC цепочкой, причем R

является ограничивающим сопротивле-

нием, а R

регулирует угол открытия симистора. Динистор (тиристор без управ-

ляющего электрода) имеет достаточно низкое напряжение пробоя (около 30В).

При достижении на динисторе этого напряжения происходит разряд конденсатора

через управляющий электрод симистора, открывая его. Разряд конденсатора про-

исходит поочередно разнополярными импульсами. Недостаток схемы – угол "за-

жигания" не более 90.

7.3. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-

переходами, имеющий три вывода. Управление протекающим через него током

осуществляется с помощью управляющего тока.

Транзистор называют б и п ол я р ным , так как в процессе протекания элек-

трического тока участвуют как основные (электроны - для n-p-n транзисторов и

"дырки" - для p-n-p), так и не основные носители электрических зарядов. Транзи-

сторы n-p-n более распространены и обычно имеют лучшие характеристики, по-

скольку основную роль в электрических процессах несут электроны, обладающие

в 2…3 раза большей подвижностью.

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-

дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования элек-

трических сигналов.

Транзистор состоит из трех областей полупроводника: эмиттера, базы и

коллектора. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают тран-

зисторы p-n-p и n-p-n. Условные обозначения транзисторов, рабочие полярности

напряжений и направления токов показаны на рис. Iэ = Iк + Iб.

Транзистор может работать в трех основных ре-

жимах в зависимости от того, каковы напряжения на

его переходах:

1) Режим насыщения: на обоих p-n переходах

прямое напряжение. В этом режиме транзистор

полностью открыт и протекающий ток равен мак-

симальному значению Iк = Ек / Rн.

2) Режим отсечки: на оба перехода подано обратное напряжение. В этом

режиме транзистор заперт и ток его близок к нулю.

n-p-n

-n-p

–

14.10.09

3) Активный режим: на эмиттерном переходе - прямое напряжение, на кол-

лекторном – обратное. Транзистор обладает активными свойствами, т.е способен

обеспечивать усиление по мощности.

Активный режим является основным. Он используется в большинстве уси-

лителей и генераторов.

В схемах с транзистором имеются две цепи, входная, в которую включается

источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузоч-

ное сопротивление. Поскольку транзистор имеет три электрода и используется

как четырехполюсник, то один из его электродов является общим для входной и

выходной цепи.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и вы-

ходной цепей, различаются три схемы включения транзистора: с общей базой

(ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Схема с ОЭ является наиболее распространенной.

Входной ток - ток базы, выходной ток - ток коллектора. Для

данной схемы верно соотношение:



cт



+ I*

ко

, где I*

ко



cт

+1)



ко

– обратный ток коллектора (единицы мкА). Поэтому

можно принять: i





cт



б.,

где



cт

– статический коэффици-

ент передачи базового тока (50…150).

Схема с ОЭ дает наибольшее усиление по мощности.

Но режим работы этой схемы сильно зависит от температуры,

а усиление от частоты.

2. Схема с ОБ. Входной ток - ток эмиттера. Выходной

ток - ток коллектора. Эта схема дает меньшее усиление по мощности, чем схема с

ОЭ, но она значительно лучше по частотным и температурным свойствам.

3. Схема с ОК. Выходной ток - ток эмиттера. Входной ток - ток базы. Эта

схема включения отличается от предыдущих большим входным сопротивлением

и малым выходным и усиления по току и мощности не дает.

Существует четыре типа статических характеристик транзистора: вход-

ные, выходные, передачи тока и обратной связи по напряжению.

На примере схемы с общим эмиттером.

1. Входные характеристики - - зависимость тока базы от напряжения на базе

при постоянном напряжении на коллекторе: I

= f(U

); U

= const.

2. Выходные характеристики - зависимость тока коллектора от напряжения

на коллекторе при постоянном токе базы: I

= f(U

); I

= const. I

б3

> I

б2

> I

б1

3. Характеристики передачи тока - зависимость тока коллектора от тока базы при посто-

янном напряжении на коллекторе: I

= f(I

); U

= const.

4. Характеристика обратной связи по напряжению - зависимость напряжения на базе от

напряжения на коллекторе при постоянном токе базы: U

= f(U

); I

= const.

7.4. Простейший транзисторный усилитель

Предназначен для усиления электрических сигналов. Основное назначение -

усиление входного напряжения, т. е. чаще всего используется как предваритель-

ный усилитель.

ОБ

iвх

вх

Uвых

iвых

вх

Uвых

iвх

iвых

ОЭ

14.10.09

В основе лежит схема включения биполярного транзистора VT по схеме с

общим эмиттером (ОЭ). Усиление основано на изменении сопротивления между

эмиттером и коллектором под действием входного сигнала. Важная особенность -

входной и выходной сигналы находятся в противофазе.

На схеме обозначены:

- резистор в цепи коллектора;

- резистор в цени обратной отрицательной связи по току;

- конденсатор, шунтирующий резистор R

по переменному ток;

- резисторы делителя напряжения в цепи базы;

- разделительные конденсаторы в цепях входного и выходного сигналов, со-

ответственно;

- резистор нагрузки;

вх

- действующее значение ЭДС источника входного сигнала;

вх

- действующее входное синусоидальное напряжение (входной сигнал);

вых

- действующее выходное синусоидальное напряжение (выходной сиг-

нал

Для задания режима работы транзистора используется делитель R1-R2, ко-

торый задает рабочую точку на входной характеристике: выбирается линейный

участок кривой Iб (Uбэ) по длине на оси Uбэ не короче, чем двойная амплитуда

входного сигнала. Средная точка этого участка и будет рабочей точкой. Проведя

перпендикуляр к оси Uбэ мы найдем Uбэп - напряжение (покоя) на входе при от-

сутствии входного сигнала.

Зная Uбэп и Iбп, по управляющим

характеристикам Iб(Uбэ) или Iк(Uбэ)

найдем Iкп.

При работе транзистора совместно

с нагрузкой Rн, включенной в цепь кол-

лектора, напряжение источника питания

Е распределяется между нагрузкой и пе-

реходом коллектор - эмиттер (Uкэ): Е =

Uкэ + Iк * Rн, поэтому ток коллектора

изменяется по линейному закону в со-

ответствии с выражением Iк = (Ек - Uкэ) /

Rн. Построим нагрузочную прямую на нагрузочной характеристике Iк(Uкэ). Для

этого на оси Uкэ отложим Eип, а на оси Iк - величину, равную Eип/Rн и соединим

эти точки прямой

Графическая зависимость Iк = f(Uкэ) представляет собой прямую ли-

нию, которая называется нагрузочной прямой.

Зная Uбэп и Iбп, по управляющим характеристикам Iб(Uбэ) или Iк(Uбэ)

найдем Iкп.

Rк выбирают в зависимости от нагрузки. Ток через делитель R1R2 должен

быть на порядок больше тока базы. Тогда Iд=Eк/(R1+R2), Uп=R2*Eк/(R1+R2).

R2=Uп/Iд и R1=Eк/Iд-R2

Транзистор VT выбирают исходя из следующих соображений:

в х

V T

в ы х

14.10.09

 Коэффициент усиления стат. (h21э) больше необходимого, т. к. усиле-

ние будет ослаблено обратной связью;

 Максимальный ток коллектора - c учетом нагрузочной прямой;

 Так как Eип обычно уже известно, то максимальное напряжение коллек-

тор- эмиттер должно быть больше него с некоторым запасом;

 Максимально допусимая мощность, рассеиваемая на коллекторном пере-

ходе должна быть больше чем произведение Iкп*Uкэп.;

Коденсаторы С1 и С2 являются разделительными и предназначены для от-

сечения постоянной составляющей - через них течет только переменный ток и по-

стоянная составляющая источника сигнала не влияет на работу транзистора, а по-

стоянная составляющая с коллектора не попадает в нагрузку.

)2||1(2

RRf





Элементы Сэ и Rэ, стоящие в эмиттерной цепи, предназначены для стаби-

лизации точки покоя.

Эвых



10...8



7.5. Полевой транзистор

Полевой транзистор (ПТ) это активный (способный усиливать сигналы) по-

лупроводниковый прибор. Полевые транзисторы выполняют те же функции, что и

биполярные. Но, если полупроводниковый транзистор можно (грубо) рассматри-

вать как усилитель тока с коэф. усиления



стат

. (h21'), то в п о л е в о м т р а н з и -

с т о р е п р о в о д и м о с т ь ю к а н а л а у п р а в л я е т э л е к т р и ч е с к о е п о -

л е . ПТ называют также униполярными, т.к. в процессе протекания тока участ-

вуют только основные носители (в биполярных - в том числе и не основные). ПТ

бывают двух полярностей: n-канальные (с проводимостью за счет электронов) и

Iкп

14.10.09

p–канальные (с дырочной проводимостью). По аналогии n-p–n и p–n- p. Анало-

гично биполярному, в полевом транзисторе имеется три электрода: сток –аналог

коллектору, исток –аналог эмиттеру и затвор –аналог базе.

Ток через затвор не течет и это главное отличие и преимущество полевого

транзистора.

Полевые транзисторы могут быть с у п р а в л я ю щ и м p – n переходом и

полевые транзисторы с о с т р у к т у р о й м е т а л л - д и э л е к т р и к п о л у п р о -

в о д н и к (МДП), называемые также ПТ с изолированным затвором. Поскольку в

качестве диэлектрика часто используется окисел кремния (тонкий слой стекла

SiO

), поэтому транзисторы этого типа называют еще МОП - транзисторами (ме-

талл - окисел - полупроводник). В них имеется четвертый электрод – подложка.

В нормальном положении сток (коллектор) n-канального МОП транзистора

имеет положительный потенциал относительно истока.

Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано

положительное относительно истока напряжение. В последнем случае затвор ста-

новится "прямосмещенным", и возникает ток стока, который весь проходит к ис-

току. Его выходные характеристики подобны биполярному транзистору. Отличия

в том , что затвор действительно изолирован от канала сток-исток и ток затвора

равен 0. Обычно МОП может выдерживать напряжение затвора до 20В и более.

Сток

Подложка

Исток

Затвор

Сток

Подложка

Исток

Затвор

Сток

Подложка

Исток

Затвор

Сток

Подложка

Исток

Затвор

n-канальный

-канальный

База

Колле

тор

Эмиттер

Сток

Исток

Затвор

канальные

Сток

Исток

Затвор

канальные

База

Колле

тор

Эмиттер

n-p-n

-n-p

14.10.09

МОП более просты в применении поскольку на затвор можно подавать на-

пряжение любой полярности и при этом через затвор не будет протекать никакой

ток.

МОП транзисторы пре-

красно справляются с ролью

аналоговых ключей, управляе-

мых напряжением. Малое со-

противление в проводящем со-

стоянии "ВКЛ", крайне высокое

сопротивление в состоянии от-

сечки "ВЫКЛ", малые токи

утечки и малая емкость.

Если МОП ПТ включены

встречно, подобно симисторам,

то они одинаково работают в

обоих направлениях и называ-

ются в этом случае КМОП транзисторами.

К недостаткам ПТ следует отнести то, что они имеют, как правило, боль-

ший разброс параметров по сравнению с биполярными и обладают меньшей по-

мехоустойчивостью.

8. Основные характеристики семейств микросхем

В современной технике для построения различных электронных устройств

находят широкое применение интегральные микросхемы. По выполняемым

функциям выделяют цифровые и аналоговые ИМС. Микросхемы изготавливают-

ся в основном по трем технологиям: ТТЛШ (ранее ТТЛ), КМОП и ЭСЛ.

 ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки;

 КМОП – комплементарная структура металл-окисел-проводник;

 ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика.

Не вдаваясь в особенности технологии, кратко охарактеризуем наиболее

широко применяемые серии микросхем, изготовленные по этим технологиям.

ТТЛШ характеризуются высоким быстродействием, низким энергопотреб-

лением, широкой номенклатурой, стандартным уровнем питания +5В,.

КМОП – имеют сверхнизкое энергопотребление при пониженной рабочей

частоте, способны работать при малых (до 1,5В) напряжениях.

Uзи =

1,99В

1,85В

1,80В

1,70В

1,95В

Iс, мА

Uси, В

Выход

Вх. сигнал

Управление

+15В 47к

0В

14.10.09

ЭСЛ – характеризуются сверхвысоким быстродействием и большим энер-

гопотреблением. Имеют нестандартный уровень питания (–5,2В) и нестандартные

уровни логических сигналов.

Характеристики широко распространенных цифровых микросхем показаны

в таблице.

Значение параметра

ТТЛ ТТЛШ ТТЛШ

(улучшен.)

КМОП

ЭСЛ

Отечественное/зарубежное обозначение серии

Наименование

параметра

155/

SN74

555/

SN74LS

1533/

SN74ALS

561, 1564 /

CD4000A,B

500, 1500 /

MC10000

пит

, В +5 +5 +5 +1,5-18 -5,2

вент

, мВт 10 2 2 0.0004 25

зад

, нс 10 10 4 50-100 1-2

D, пДж 100 20 8 0,02 50

вых

, В

Логич. 0 / 1

0,4 / 2,4 0,5 / 2,7 0,5 / 2,7 0,3 U

пит

0,9 U

пит

–1,63 / –0,98

Нагр. сп-сть 10 20 20 20 10

Значение Р

вент

, р а с с е и в а е м о й м о щ н о с т и (или удельной расчетной

мощности на один логический элемент), важно учитывать тогда, когда необходи-

мо знать точное значение тока потребления и когда критично значение потреб-

ляемой (или выде-

ляемой) мощности

потр

. = U



I . Следу-

ет отметить, что за-

крытому состоянию

соответствует один

уровень рассеивания

мощности, а откры-

тому - другой.

Обычно предпола-

гают, что схема по-

ловину времени на-

ходится в открытом

состоянии, а поло-

вину - в закрытом, и

определяют сред-

нюю рассеиваемую

мощность. Термин

рассеиваемая мощ-

ность , в зависимо-

сти условий задачи часто заменяют термином потребляемая мощность.

потр

, мА

F, Гц

КМОП

пит

=18В

КМОП

пит

=3В

ТТЛШ

ТТЛ

ЭСЛ

Зависимость потребляемой мощности от частоты.

14.10.09

У элементов ТТЛ серии (и их разновидностей) эта мощность обычно явля-

ется неизменной при рабочих частотах до 6…8 МГц, и далее она резко повыша-

ется.

КМОП - микросхемы потребляют сверхмалые токи, в статическом режиме

до единиц микроампера, не зависимо от того, закрыт вентиль или открыт. Основ-

ное энергопотребление у КМОП происходит в момент переключения из одного

состояния в другое. Поэтому энергопотребление этих микросхем возрастает про-

порционально повышению частоты Кроме того, КМОП микросхемы чувствитель-

ны к статическому электричеству и могут выходить из строя при манипуляции с

ними (пайке, контроле и т.д.)

Н а г р у з о ч н а я с п о с о б н о с т ь ячейки в общем случае определяется

током, который может быть отдан ячейкой во внешние цепи (нагрузку). В случае

однородных нагрузок, создаваемых входами идентичных ячеек, нагрузочная спо-

собность оценивается коэффициентом разветвления. Под к о э ф ф и ц и е н т о м

р а з в е т в л е н и я (Краз=4…10) понимают число входов последующих ячеек

данной серии, которые могут управляться от выхода данной, при сохранении

нормального электрического режима ячейки.

Для определения числа подключаемых единичных нагрузок в пределах од-

ной серии ИС следует вычислить отношения: I

OLmax

/ I

и I

OHmax

/ I

, где I

OLmax

OHmax

- максимально допустимые выходные (Out) токи нагружаемой ИС, I

, I

входные токи (In) базового элемента данной серии.

Меньшее из этих значений и является коэффициентом разветвления по вы-

ходу К

раз

, который показывает число единичных нагрузок, подключенных к дан-

ному выходу.

Аналогичным образом можно рассчитать К

раз

при работе передатчика одной

серии и приемника другой серии ИС, работающих в одном тип интегральной ло-

гики. Для серий ТТЛ и ТТЛШ К

раз

представлен в табл.

Число единичных нагрузок серии:

ИС - передатчик

155 531 555 1533

155 10 8 20 20

531 12 10 50 50

555 5 4 20 20

1533 2 2 10 20

В сериях ТТЛ и ТТЛШ имеются элементы с повышенной нагрузочной спо-

собностью, которые имеют как открытый коллекторный, так и активный двух-

тактный выход. Нагрузочные способности таких элементов характеризует табл.

Число единичных нагрузок серии:

ИС - передатчик

155 531 555 1533

155ЛА6 30 24 60 60

555ЛА6 15 12 60 60

155ЛА12 30 24 60 60

531ЛА12 37 30 150 150

555ЛА12 15 12 60 60

531ЛА16 37 30 15 150