Основные характеристики электронных приборов. Электронные приборы и устройства. Общие сведения об электронных приборах

Вид статической характеристики обычно задается техническими требованиями.
Статические характеристики. а-входная. б-передаточная. в-выходная. / - на выходе О. 2 - на выходе 1..
Вид статической характеристики преобразования определяется схемой и конструкцией средства измерений.
Зависимости Q (U для синхронного двигателя при Р. Вид статических характеристик нагрузки определяется параметрами электроприемников и влиянием потерь в элементах распределительной сети, включая трансформаторы.
Вид статических характеристик усилителей с внешней и внутренней обратной связью практически одинаков.
Схемы высокочастотных кондуктометрических ячеек.| Эквивалентные электрические схемы емкостной измерительной ячейки. Вид статической характеристики высокочастотного кондуктометра определяется в основном зависимостью электрических свойств ячейки - ее активной и реактивной проводимости - от электропроводности раствора. Аналитическое исследование электрических свойств ячеек производится с помощью их эквивалентных схем, в которых распределенные параметры ячейки с - определенной степенью точности заменены сосредоточенными элементами цепи. Такой анализ позволяет, в ряде случаев, качественно оценить вид статических характеристик прибора с тем, чтобы выбрать геометрические параметры ячейки и частоту генератора, которые бы обеспечили измерение электропроводности в заданном диапазоне.
Вид статической характеристики высокочастотного кондуктометра определяется в основном зависимостью электрических свойств ячейки - ее активной и реактивной проводимости - от электропроводности раствора.
Структурная схема измерительного преобразователя. На вид статической характеристики влияют такие факторы, как механический гистерезис, ползучесть, силы трения, л и некоторые другие. Преобразование измеряемой величины х в выходную вели-у очень редко удается получить непосредственно преобра - оователем, состоящим из одного элемента. Чаще всего оно осу-ще Ьтвляется использованием определенной совокупности простейших элементов. Если считать, что каждый элемент, входящий в преобразователь, может быть также представлен в виде четырехполюсника, то преобразователь в целом изобразится как определенная комбинация таких четырехполюсников - элементов. Подобные комбинации могут иметь различную структуру, однако, как правило, это последовательное соединение четырехполюсников (ряс. Для такой схемы характерным является то, что выходная величина каждого k - ro четырехполюсника является одновременно входной величиной (& 1) - го. На входе цепочки четырехполюсников действует входная величина х, а на выходе - у.
Однако релейный вид статических характеристик таких усилителей часто отрицательно сказывается на качестве регулирования.
Рассмотрим вид статической характеристики линейной замкнутой системы комбинированного регулирования по управлению и нагрузке.

Анализ вида статических характеристик полупроводникового триода, показывает, что основным нелинейным параметром триода является его входное сопротивление. Сопротивление гк и коэффициент передачи а в активной области характеристик триода практически постоянны.
По виду статической характеристики: линейные (без начального сигнала у Sx и с начальным сигналом у у0 Sx), нелинейные (с растущей или падающей характеристикой), релейные.
По виду статических характеристик объекты делятся на стационарные и нестационарные.
По виду статической характеристики датчики можно разделить на линейные (без начального сигнала у S x и с начальным сигналом у Уо S x), нелинейные (с растущей или падающей характеристикой), релейные.
По виду статической характеристики вход - выход элементы автоматических систем делятся на элементы непрерывного и на элементы дискретного действия.
По виду статической характеристики реле делятся на две большие группы: нейтральные и поляризованные. В нейтральных реле направление перемещения якоря не меняется, а следовательно, и коммутируемые цепи не переключаются при изменении полярности входного сигнала. В поляризованных реле направление движения якоря изменяется и, следовательно, коммутируемые цепи переключаются на другие контакты при изменении полярности входного сигнала.
Во-вторых, вид статических характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Очевидно, что при любой схеме включения физические процессы, происходящие в транзисторе, не изменяются, но существенно меняются входные и выходные величины, а значит, и статические характеристики транзистора.
Схема для снятия статических характеристик электронной лампы с питанием анодных цепей от источника. Различают четыре вида статических характеристик: анодные, анод-но-сеточные, сеточно-анодные и сеточные.
Таким образом, вид кривых статических характеристик для большинства элементов аналогичен кривым зависимости интенсивности линий гелия от тока, с той лишь разницей, что они обнаруживают ток начала испарения.
В зависимости от вида статической характеристики различают аналоговые и релейные омические элементы.
Схема для исследования триода. Различают два основных вида статических характеристик триода: анодные характеристики, изображающие зависимость анодного тока триода от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке, и анодно-сеточные характеристики, изображающие зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. При снятии характеристик необходимо поддерживать постоянным напряжение накала.
Различают два основных вида статических характеристик триода: 1) анодные характеристики, представляющие собой зависимость анодного тока триода от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке, и 2) анодно-сеточные характеристики, представляющие собой зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. При снятии характеристик напряжение накала катода должно быть постоянным.
Графическую модель в виде статической характеристики нелинейного элемента определяют экспериментально путем приложения к элементу постоянного напряжения или тока, значения которого регулируют так, чтобы получить все точки характеристики.

Как показывают эксперименты, вид статических характеристик и коэффициенты усиления усилителей с внешней ОС и с самонасыщением достаточно близки.
Рассмотрим влияние смещения на вид статической характеристики реверсивного магнитного усилителя. На рис. 24.10 показано построение статической характеристики реверсивного магнитного усилителя при разных значениях смещения.
Для звена различают три вида статических характеристик.
Функция f зависит от вида статической характеристики управляемой проводимости.
Основным недостатком таких усилителей является релейный вид статической характеристики.
На рис. 30, б показан вид статических характеристик компрессора для случая рн const и трех значений рвс (pBct Рвсг Рве) - В положении золотника Я Ят компрессор работает на полную производительность Qi, Q2 или Q3 в зависимости от рвс. По мере выдвижения золотника (Я уменьшается) холодопроизводительность понижается приблизительно по линейному закону.
В измерительной практике в зависимости от вида статической характеристики преобразователя и рода работы этому определению придают более конкретный вид, в результате чего используют яесколько более узких и конкретных понятий чувствительности.
Статические характеристики усилителя сопло - заслонка с постоянными перепадами на дросселях. Здесь же рассмотрим влияние постоянного перепада на вид статической характеристики пневматического усилителя. Допустим, что имеется устройство, поддерживающее автоматически постоянный перепад давления Д / 7ПС на постоянном дросселе. Дрпс статическая характеристика рассматриваемого усилителя совпадает со статической характеристикой / обычного усилителя. Поэтому рабочий участок статической характеристики 2 имеет увеличенную крутизну.
Схемы и статические характеристики ПД. Закон преобразования перемещения в электрический сигнал (или вид статической характеристики ПД) определяется конструкцией датчика (профилем каркаса потенциометра), схемой подключения к источнику питания и нагрузке, а также режимом работы. В частном случае ПД реализует релейный закон преобразования перемещения в напряжение. Такой ПД называют релейным потенциометр ическим датчиком.
Положение поверхностей переключения зависит от свойств релейного элемента (вид статических характеристик, времена запаздывания при срабатывании и отпускании), от действующих сил (вид механических характеристик двигателя и закон изменения момента нагрузки) и от вида управляющей функции.
Сделаем некоторые допущения, которые принципиально не повлияют на вид статической характеристики. GTcTGT, т.е. количеством тепла, которое вносится с топливом. При постоянном расходе топлива этот член постоянен и мал по сравнению с членом GTXT.
Статическая характеристика двухпозиционного регулятора (а, изменение регулирующего воздействия х (б и переходный процесс у (в при возникновении в системе несимметричных автоколебаний.
Моменты срабатывания Пз-регулятора определяются свойствами линейной части АСР и видом статической характеристики регулятора.
В этом случае математическое описание объекта может быть представлено в виде статической характеристики, описывающей весь диапазон рабочих режимов, а также набора динамических характеристик, каждая из которых приближенно описывает динамические свойства режимов объекта, соответствующих некоторому числу статической характеристики.
На характер изменения / 2 f (Un) оказывает влияние вид статической характеристики нагрузки, особенно по реактивной мощности, так как регулирующий эффект реактивной мощности больше, чем активной.
Блок-схема САУ по температуре в зоне обработки и упругим перемещениям, вэзхикающим в системе СПИД. Ясно, что и в этом случае результирующая статическая характеристика определяется видом статических характеристик всех устройств.
Поэтому запросы потребителя энергии и замыслы конструктора машины, воплощенные в виде статической характеристики регулирования той или иной формы, должны сообразоваться с первоначальной стоимостью механизмов автоматического управления и с эксплу атационными расходами на содержание этих механизмов.
Сформулируем принципы построения систем управления для класса технологических объектов, отличительной особенностью которых является экстремальный вид статической характеристики. Класс таких объектов весьма широк и включает установки, работающие во многих важных отраслях народного хозяйства - химической, нефтехимической, металлургической и др. Оптимальное управление этими объектами может дать значительный экономический эффект.
Для анализа качества струйных логических элементов и согласования элементов в схемах обычно используются следующие три вида статических характеристик: характеристики переключения, выходные и входные.
Следовательно, отрезки, отсекаемые на оси 6, не зависят от k и определяются видом статической характеристики реле.
Динамические характеристики каскада с активно-реактивной нагрузкой для синусоидального входного сигнала. Нетрудно видеть, что вид динамических характеристик для активно-реактивной нагрузки зависит не только от характера сопротивления и вида статических характеристик усилительного элемента, но и от частоты, амплитуды и формы входного сигнала.
Точность распределения двигателей между шинами U и Uz (см. рис. 6 - 9) мало сказывается на виде статических характеристик, но влияет на критическое напряжение.

Электронно-лучевые трубки; их область действия и применение. Ионные (газоразрядные) приборы: их основные параметры.

Электронно-лучевые приборы (ЭЛП ) - класс вакуумных электронных приборов, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в форме одиночного луча или пучка лучей, которые управляются как по интенсивности (току), так и по положению в пространстве, и взаимодействуют с неподвижной пространственной мишенью (экраном) прибора. Основная сфера применения ЭЛП - преобразование оптической информации в электрические сигналы и обратное преобразование электрического сигнала в оптический - например, в видимое телевизионное изображение.

В класс электронно-лучевых приборов не включаются рентгеновские трубки, фотоэлементы, фотоумножители, газоразрядные приборы (декатроны) и приёмно-усилительные электронные лампы (лучевые тетроды, электровакуумные индикаторы, лампы со вторичной эмиссией и тому подобное) с лучевой формой токов.

Устройство

Электронно-лучевой прибор состоит, как минимум, из трёх основных частей:

· Электронный прожектор (пушка) формирует электронный луч (или пучок лучей, например, три луча в цветном кинескопе) и управляет его интенсивностью (током);

· Отклоняющая система управляет пространственным положением луча (отклонением его от оси прожектора);

· Мишень (экран) приёмного ЭЛП преобразует энергию луча в световой поток видимого изображения; мишень передающего или запоминающего ЭЛП накапливает пространственный потенциальный рельеф, считываемый сканирующим электронным лучом .

Классификация

Передающие электронно-лучевые приборы преобразуют оптическое изображение в электрический сигнал.

· Диссектор («трубка мгновенного действия») - исторически первый тип передающей трубки, использовавшийся для астрономических наблюдений, в устройствах промышленной автоматики и для сканирования документов;

· Иконоскоп - исторически первый тип передающей телевизионной трубки;

· Ортикон, суперортикон, видикон - основные типы передающих трубок, применявшихся в телевидении до перехода на твердотельные преобразователи;

· Специализированные приборы, например, моноскоп - трубка для преобразования в электрический сигнал неподвижного изображения (испытательной таблицы).

Приёмные электронно-лучевые приборы преобразуют электрический сигнал в оптическое (видимое) изображение:

· Осциллографическая трубка - ЭЛП с емкостным (осциллографическим) управлением положения луча, применяемые для визуализации формы электрических сигналов

· Кинескоп - приёмная трубка телевизионной системы с магнитной отклоняющей системой и строчной развёрткой изображения;

· Индикаторная электронно-лучевая трубка - приёмная трубка радиолокационной системы с магнитной отклоняющей системой и круговой развёрткой, а также разнообразные специализированные индикаторы, знакогенерирующие трубки и т. п.

· Знакогенерирующие (знакопечатающие) трубки (характрон, тайпотрон и их аналоги).

· Запоминающая трубка записывает информации на пространственную мишень, хранит её в течение заданного времени, и (в трубках со считыванием) воспроизводит или считывает её электронным лучом. Различные трубки этого подкласса использовались как для хранения, обработки и воспроизведения оптических изображений, так и как двоичные запоминающие устройства ранних компьютеров

Электроника – область науки и техники, изучающая и применяющая устройства, работа которых основана на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Большое быстродействие и высокая надежность электронных устройств обусловили их широкое применение в вычислительной технике, радиотехнике, средствах связи, навигации, в промышленности и т. д. С помощью электронных устройств происходит преобразование электрической энергии источника питания в энергию полезного сигнала (усилители, генераторы сигналов и др.), преобразование переменного тока в постоянный (выпрямители) и постоянного в переменный (инверторы), преобразование видов энергии, регулировка напряжения, частоты и т. д.

В электронных устройствах преобразование электрической энергии и сигналов осуществляется с помощью электронных приборов (электронных активных элементов). Кроме электронных приборов в них используются источники питания и пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.

В настоящее время используются в основном полупроводниковые электронные приборы. В них перенос электрических зарядов происходит в твердом теле (полупроводнике). К ним относятся диоды, транзисторы, тиристоры и др.

Полупроводниковый диод (рис. 1) представляет собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводность n-типа, а другой р-типа. В целом эта структура называется р-n-переходом или электронно-дырочным переходом. Основным свойством электронно-дырочного перехода является его односторонняя электропроводимость.

Рис.1. Полупроводниковый диод: а) полупроводниковая структура диода;

б) условное графическое обозначение; в) вольт - амперная характеристика

При прямом смешении р-n перехода его электрическая проводимость возрастает и через переход проходит ток, сильно зависящий от приложенного напряжения. При обратном смещении р-n-перехода электрическая проводимость перехода уменьшается и электрический ток через него практически не проходит.

Полупроводниковый диод с обратно смещенным р-n-переходом, у которого при сравнительно малых изменениях обратного напряжения в области, близкой к напряжению пробоя, резко увеличивается обратный ток, называют стабилитроном (рис. 2). Он используется при создании стабилизаторов напряжения.

Рис.2.Полупроводниковый стабилитрон: а) условное графическое обозначение; б) вольт - амперная характеристика

Варикапом называют полупроводниковый диод с обратно смещенным p-n-переходом, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости для электронной настройки частотно-избирательных цепей (рис. 3).

Рис.3. Полупроводниковый варикап: а) условное графическое обозначение;

б) вольт - фарадная характеристика

Полупроводниковые триоды (транзисторы) подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами (рис. 4). Он имеет трехслойную структуру n-р-n- или р-n-р-типа. Средняя область между двумя р-n-переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n-переход эмиттер-база называется эмиттерным, а переход база-коллектор – коллекторным.

Рис.4. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение биполярных транзисторов: а) n-p-n-типа; б) p-n-p-типа

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется под действием поперечного электрического поля, создаваемого прилегающим к проводящему объему полупроводника управляющим электродом (затвором).Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом (рис. 5) и изолированным затвором (рис. 6).

Рис.5. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а) с каналом n-типа; б) с каналом р-типа

Рис.6. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с изолированным затвором: а) с встроенным каналом; б) с индуцированным каналом

В отличие от биполярных транзисторов, в которых управление переносом зарядов осуществляется изменением тока базы, в полевом транзисторе управление током производится изменением управляющего напряжения, регулирующего ширину канала, по которому проходит ток. Область канала, от которой начинается движение носителей, называется истоком, а область, к которой движутся основные носители, – стоком. Управляющая область в приборе, которая охватывает канал, называется затвором. Изменяя напряжение между затвором и истоком, меняют сечение канала.

Многослойные структуры с тремя p-n-переходами называют тиристорами . Их основным свойством является способность находиться в двух состояниях устойчивого равновесия: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью). По этой причине они выполняют функцию бесконтактного электронного ключа, обладающего односторонней проводимостью. Тиристоры с двумя выводами (двухэлектродные) называются диодными тиристорами (динисторами) , а с тремя (трехэлектродные) – или триодными тиристорами (тринисторами), или симметричными тиристорами (симисторами), если они способны проводить ток в обоих направлениях(рис. 7).

Рис.7. Тиристоры: полупроводниковая структура: а) диодного тиристора (динистора); г) тринистора; ж) симметричного тиристора (симистора); условное графическое обозначение: б) диодного тиристора; д) тринистора; з) симистора; вольт- амперные характеристики: в) диодного тиристора; е) тринистора; и) симистора

К полупроводниковым фотоэлементам относятся: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор, светодиод (рис. 8).

Рис.8.Условное графическое обозначение полупроводниковых фотоэлементов: а) фоторезистора; б) фотодиода; в) фототранзистора; г) фототиристора; д) светодиода

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности. При увеличении освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается.

Принцип действия фотодиода основан на возрастании обратного тока р-n перехода при его освещении. Фотодиод применяется без дополнительного источника питания, поскольку сам является генератором тока, причем сила тока пропорциональна освещенности.

В фототранзисторе р-n переход коллектор-база представляет собой фотодиод.

Светодиоды излучают свет при прохождении через них прямого тока. Яркость свечения пропорциональна прямому току.

Если в одном корпусе совместить светодиод и фоточувствительный элемент, например фототранзистор, то входной ток можно преобразовать в выходной с полным гальваническим разделением цепей. Такие оптоэлектрические элементы называют оптронами (рис. 9).

Рис.9.Условное графическое обозначение полупроводниковых оптронов:

а) резисторного; б) диодного; в) транзиторного; г) тиристорного

Кроме фоторезисторов к наиболее распространенным полупроводниковым резисторам относятся:терморезисторы и варисторы , сопротивление которых изменяется при изменении температуры и приложенного напряжения соответственно (рис. 10).

Рис.10.Условное графическое обозначение полупроводниковых резисторов: а) терморезистора; б) варистора

С помощью рассмотренных электронных приборов осуществляются необходимые преобразования электрической энергии и сигналов. Наиболее простым видом преобразования является выпрямление переменного тока, более сложными – инвертирование постоянного тока в переменный, усиление, генерирование и преобразование сигналов различной формы.

Выпрямители преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке (рис. 11). Они применяются в качестве источников вторичного электропитания. Переменное напряжение питающей сети с помощью силового трансформатора понижается или повышается до необходимой величины, а затем выпрямляется с помощью выпрямителя. В результате на выходе выпрямителя образуется напряжение неизменного направления, которое является пульсирующим (т.е. меняется во времени по значению) и поэтому непригодно для питания большинства электронных устройств.

Рис.11.Структурная схема выпрямителя

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя включают сглаживающий фильтр, а в некоторых случаях дополнительно вводят стабилизатор постоянного напряжения.

Основные схемы выпрямителей можно подразделить на однополупериодные (рис. 12) и двухполупериодные (рис. 13).

Рис.12.Схемы и временные диаграммы однополупериодных выпрямителей: а) однофазного; б) трехфазного

Рис.13.Двухполуперодные выпрямители: однофазные выпрямители: а) мостовая схема; б) с выводом от средней точки обмотки трансформатора; в) их временные диаграммы; трехфазный выпрямитель; г) трехфазная мостовая схема; д) ее временная диаграмма

Сглаживающие фильтры пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. В простейшем случае сглаживающий фильтр может содержать только один элемент – либо дроссель с большой индуктивностью, включаемый последовательно на выходе выпрямителя, либо конденсатор с большой емкостью, включаемый параллельно нагрузке (рис. 14).

Рис.14. Сглаживающие фильтры: а) индуктивный; б) емкостной; в) их временные диаграммы

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в определенных пределах (рис. 15). Напряжение, которое поддерживает стабилизатор, задается опорным элементом – стабилитроном (рис. 2).

Рис.15.Схема и временные диаграммы параметрического стабилизатора напряжения

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения амплитуды и мощности входного сигнала без изменения других его параметров. Повышение амплитуды и мощности сигнала на выходе усилителя достигается преобразованием энергии источника питания постоянного тока в энергию выходного переменного сигнала. В общем случае электронные усилители являются многокаскадными устройствами. Отдельные каскады связаны между собой цепями, по которым передается переменный (усиливаемый) сигнал и не пропускается постоянная составляющая сигнала. Каскады выполняют по схеме с общим эмиттером и с общим истоком, с общим коллектором и с общим стоком, с общей базой и с общим затвором (рис. 16).

Рис.16. Схемы включения транзисторов с общим(ей): а) эмиттером;

б) коллектором; в) базой; г) истоком; д) стоком; е) затвором

Схема любого каскада состоит из источника питания, транзистора и цепей смещения, обеспечивающих режим работы транзистора по постоянному току, т. е. режим покоя (рис. 17).

Многокаскадные усилители представляют собой последовательное соединение однотипных усилительных каскадов.

В усилителях в интегральном исполнении применяют непосредственную связь между каскадами. Такие усилители могут усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы и даже сигналы постоянного тока и поэтому получили название усилителей постоянного тока. Современные усилители постоянного тока усиливают сигналы в очень широком спектре частот и относятся к разряду широкополосных усилителей.

Рис.17.Схемы усилителей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе

Недостатком усилителей с непосредственными связями является изменение выходного напряжения режима покоя (дрейф нуля) вследствие нестабильности напряжения питания, температуры и других факторов. Эффективным способом уменьшения дрейфа нуля в таких усилителях является применение дифференциальных усилительных каскадов.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности двух входных сигналов и представляет собой симметричную двухтранзисторную схему с объединенными эмиттерами, имеющую два входа и два выхода (рис. 18).

Рис.18. Дифференциальный усилитель

Операционный усилитель (рис. 19), как и любой другой усилитель, предназначен для усиления амплитуды и мощности входного сигнала. Название «операционный» он получил от аналогов на дискретных элементах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, умножение, деление, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ. В настоящее время операционный усилитель чаще всего выполняется в виде интегральной микросхемы.

Рис.19.Операционный усилитель

Электронными генераторами называют автоколебательные (самовозбуждающиеся) системы, в которых энергия источника питания (постоянного тока) преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы.

В генераторах синусоидального напряжения транзисторы работают в усилительном режиме. В отличие от них в генераторах импульсов транзисторы работают в ключевом режиме (когда транзистор находится попеременно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии). В открытом состоянии транзистор пропускает максимальный ток и имеет на выходе минимальное напряжение, определяемое его остаточным напряжением. В закрытом состоянии его ток минимален, а выходное напряжение максимально и близко к напряжению источника питания. Такой элемент называют транзисторным ключом (рис. 20).

Рис.20.Схемы транзисторных ключей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе; в) их временные диаграммы

Мультивибраторы – это импульсные генераторы с положительной обратной связью, в которых усилительные элементы (транзисторы, операционные усилители) работают в ключевом режиме.

Мультивибраторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, поэтому относятся к классу автоколебательных генераторов и выполняются на дискретных транзисторах, интегральных логических элементах и на операционных усилителях (рис. 21).

Рис.21. Схемы автоколебательных мультивибраторов: а) на дискретных элементах; б) на интегральных логических элементах; в) на операционном усилителе; г) их временные диаграммы

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т. п. Она изготовлена в едином технологическом цикле (т. е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции – подложке и выполняет определенную функцию преобразования электрических сигналов.

Компоненты, которые входят в состав ИМС и не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИМС или интегральными элементами. В отличие от них конструктивно обособленные приборы и детали называются дискретными компонентами, а узлы и блоки, построенные на их основе, – дискретными схемами.

Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой себестоимостью интегральных микросхем обеспечили их широкое применение во многих областях науки и техники.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые интегральные микросхемы . В настоящее время различают два класса полупроводниковых интегральных микросхем: биполярные и МДП.

Основным элементом биполярных ИМС является n-р-n-транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Остальные элементы изготовляют одновременно с этим транзистором без дополнительных технологических операций. Например, резисторы изготовляют с базовым слоем n-р-n-транзистора, поэтому они имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используют обратно смещенные р-n-переходы, в которых n-слой соответствует коллекторному слою n-р-n-транзистора, а слой р – базовому слою.

Логическими элементами называют электронные устройства, выполняющие простейшие логические операции: НЕ, ИЛИ, И (рис. 22).

Рис.22. Условное обозначение и таблицы истинности простейших логических элементов: а) НЕ; б) ИЛИ; в) И

Логические функции и логические операции над ними составляют предмет алгебры логики, или булевой алгебры. В основе алгебры логики лежат логические величины, которые обозначают латинскими буквами А, В, С, D и т. д. Логическая величина характеризует два взаимоисключающих понятия: есть и нет, истина и ложь, включено и выключено и т. п. Если одно из значений логической величины обозначено через А, то второе обозначают «не А».

Для операций с логическими величинами удобно применять двоичный код, полагая А=1, «не А»=0 или, наоборот, А=0, «не А»=1. В двоичной системе счисления одна и та же схема может выполнять как логические, так и арифметические операции. Если понятие «не А» обозначить особой буквой, например, В, то связь между В и А будет иметь вид: В= .

Это простейшая логическая функция, которую называют отрицанием, инверсией или функцией НЕ. Схему, обеспечивающую такую функцию, называют инвертором или схемой НЕ.

Схемы ИЛИ (дизъюнктор) и И (конъюнкатор) могут быть выполнены на резисторах (резисторная логика), на диодах (диодная логика), на транзисторах (транзисторная логика). Чаще всего эти схемы применяются в сочетании с инвертором, и тогда они реализуют функции ИЛИ-НЕ, И-НЕ (рис. 23).

Рис.23. Условное обозначение и таблицы истинности:

а) стрелка Пирса; б) штрих Шеффера

Функции ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) и И-НЕ (штрих Шеффера) – самые распространенные, т. к. на их основе можно реализовать любую другую логическую функцию. Количество переменных, а значит, и количество входов у соответствующих схем может быть равно двум, трем, четырем и более. В логических элементах логические нули и единицы обычно представлены различными значениями напряжения: напряжением (или уровнем нуля) U 0 и напряжением (или уровнем единицы) U 1 . Если уровень единицы больше уровня нуля, то говорят, что схема работает в положительной логике, в противном случае (U 1 < U 0) она работает в отрицательной логике. Никакой принципиальной разницы между положительной и отрицательной логиками нет. Более того, одна и та же схема может работать и в одной, и в другой логике.

Наиболее широкое применение получила схема И-НЕ типа ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).

Комбинируя логические схемы ИЛИ-НЕ или И-НЕ, можно создать различные устройства, как с памятью, так и без памяти.

К цифровым устройствам с памятью относятся: триггеры, счетчики, регистры.

Триггерами называют устройства, обладающие двумя состояниями устойчивого равновесия и способные скачкообразно переключаться из одного устойчивого состояния в другое каждый раз, когда управляющий входной сигнал превосходит определенный уровень, называемый порогом срабатывания.

Различают несколько типов триггеров: RS, D, T, JK и др., которые выпускаются промышленностью в виде отдельных микросхем, а также выполняются на основе логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ (рис. 24).

Рис.24.Условные графические обозначения триггеров: а) RS-триггер на основе логических элементов ИЛИ-НЕ; в виде отдельных микросхем: б) RS-триггер; в)D-триггер; г) T-триггер; д) JK-триггер

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов (рис. 25,а ) и выражаются в виде цифр.

Рис.25.Условные графические обозначения: а) счетчика импульсов;

б) регистра; в) дешифратора; г) шифратора; д) мультиплексора;

е) арифметико-логического устройства

Регистрами называются функциональные узлы цифровых устройств, предназначенные для приема, хранения, передачи и преобразования информации (рис. 25, б ).

К цифровым устройствам без памяти относятся: дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и др.

Дешифратором называется устройство, вырабатывающее единичный сигнал только на одном из своих выходов в зависимости от кода двоичного числа на его n входах (рис. 25, в ).

Шифратор (рис. 25, г ) выполняет функцию, обратную дешифратору.

Мультиплексором называется устройство для коммутации одного из информационных входов на один его выход в зависимости от двоичного кода на его m адресных входах (рис. 25, д ).

Демультиплексор выполняет функцию, обратную мультиплексору.

В зависимости от количества элементов на одном кристалле говорят о разной степени интеграции ИМС. Большая интегральная микросхема (БИС) содержит на одном кристалле (в одном корпусе) несколько миллионов элементов и выполняет функции сложных устройств. Она является функционально законченным изделием.

БИС, в состав которой входят как минимум основные узлы процессора: арифметико-логическое устройство (рис. 25, е ), дешифратор команд и устройство управления, называется микропроцессором . В него могут входить и другие блоки, расширяющие возможности микропроцессора. Микропроцессор служит для логической обработки, хранения и преобразования данных. Он является универсальным по своим возможностям полупроводниковым устройством и его можно применять в системах управления сложными устройствами.

Вопросы по теме

1. Что изучает электроника?

2. Какие устройства называются электронными?

3. Чем отличаются полупроводниковые материалы от проводников и диэлектриков?

4. Как устроен p-n-переход? Какое основное свойство перехода, позволяющее изготавливать на его основе полупроводниковые приборы?

5. Как работает диод? Какой вид имеет его вольт-амперная характеристика?

6. Как устроен и как работает биполярный транзистор?

7. Как работает полевой транзистор? Чем он отличается от биполярного транзистора?

8. Как называются и для чего служат выводы биполярного и полевого транзисторов?

9. На чем основана стабилизация напряжения стабилитроном? Какими параметрами характеризуются стабилитроны?

10. Как преобразовать синусоидальное напряжение в постоянное?

11. Как работают диодные выпрямители?

12. Как работают электрические фильтры?

13. Как получить стабильное постоянное напряжение?

14. Для чего применяют усилители электрических сигналов?

15. Каков принцип усиления тока и напряжения?

16. В чем отличие усилителей на транзисторах от усилителей на интегральных микросхемах?

17. Что из себя представляет интегральная микросхема?

18. Какие элементы называют логическими функциями? Как работают основные (базовые) логические функции? Какие операции они выполняют?

19. Что собой представляют цифровые устройства с памятью?

20. Что собой представляют цифровые устройства без памяти?

21. Что собой представляет микропроцессор? Для чего он используется?

Похожая информация.

Еще в 19 веке был открыт ряд физических явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем и веществом. Такие явления получили названия электромагнитных. К ним относятся:

– испускание электронов накаленным телом – термоэлектронная эмиссия;

– испускание электронов веществом под воздействием фотонов (фотоэффект);

– испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция);

– зависимость электронной проводимости цепи, состоящей из накаленного и ненакаленного электродов, разделенных вакуумным промежутком, от направления тока;

– ионизация разреженного газа при прохождении потока быстро движущихся электронов, сопровождающаяся резким увеличением электрической проводимости среды;

– наличие двух типов электропроводности полупроводника (электронной и дырочной), в зависимости от преобладания того или другого вида носителей заряда (электронов или дырок);

Перечисленные и многие другие электронные явления хорошо изучены и имеют практическое применение. Приборы, принцип действия которых основан на физических явлениях, связанных с движением электрически заряженных частиц в вакууме, газе или в твердом теле, называются электронными. Область науки и техники, которая занимается изучением и разработкой электронных приборов и устройств, называется электроникой.

Наиболее общим классификационным признаком является рабочая среда, в которой протекают основные физические процессы в приборе. Таким образом, различают электровакуумные, ионные (газоразрядные) и полупроводниковые приборы.

В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой – баллоном. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразреженного газа с давлением порядка 10-6 мм рт. ст. К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые, фотоэлектронные и сверхвысокочастотные приборы.

Ионными (газоразрядными) называют приборы, баллоны которых наполнены инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.), их смесью, водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне не велико: 10-10-5 мм рт. ст. Заполнение приборов газом позволяет пропустить через них значительно больший ток, чем это возможно в электровакуумном приборе при той же потребляемой мощности, что объясняется малым внутренним сопротивлением прибора, а следовательно, малым падением напряжения между анодом и катодом.

Конструкция и назначение ионных приборов весьма разнообразны. Большинство их типов применяется для выпрямления переменного тока (газотроны, игнитроны, тиристоры, ртутные вентили и др.). Используются они также для стабилизации постоянных напряжений (стабилитроны), в качестве электронных реле, переключающих устройств (ионные разрядники).

Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.

Само название «электронные приборы» указывает на то, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо за счёт движения электронов, либо при их непосредственном участии. Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.

Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивнотехнологическим признакам, роду рабочей среды и т.д.

В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.

Электропреобразовательные приборы представляют самую большую

группу электронных приборов. К ним относят различные типы диодов и транзисторов, тиристоры, газоразрядные, электровакуумные приборы.

К электросветовым относят светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, электронно-лучевые трубки.

К фотоэлектрическим – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные батареи.

К термоэлектрическим – полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы.

Акустоэлектрические усилители, генераторы, фильтры, линии задержки на поверхностных акустических волнах относятся к акустическим приборам. В последнее время на стыке электроники и оптики сформировалась новая область техники – оптоэлектроника, привлекающая для решения задач формирования, хранения и обработки сигналов методы электроники и оптики.

В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.

По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.

Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы. Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами. Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом.

Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т.д. Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим.

Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.

Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники

Полупроводниками в физике принято называть материалы с удельным сопротивлением r = 10 3 - 10 9 Ом×см, в отличие от проводников (металлов), которые имеют r < 10 4 Ом×см, и диэлектриков - материалов с r >10 10 Ом×см.

Полупроводники имеют собственную электропроводность, которая называется примесной при внесении примеси. Внося различные примеси, можно сформировать полупроводники с заданными свойствами.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:

Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).

В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.

Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.

Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.

Гетерогенный переход (гетеропереход ) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Гомогенный переход (гомопереход ) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.

Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.

Электронно-электронный переход (n-n + -переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

Дырочно-дырочный переход (p-p + -переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью

Формирование электронно-дырочного перехода происходит при контакте полупроводников без подачи внешнего напряжения. Атомы примесной проводимости, расположенные вдоль границ раздела жестко связаны с кристаллической решеткой и неподвижны.

Вследствие этого, диффузионный ток, между областями, образующийся в момент контакта, осуществит перенос электронов с внешних электронных оболочек атомов в в области n на незаполненные внешние оболочки атомов примеси в области p типа. Этот процесс можно рассматривать, как мгновенную ионизацию всех приграничных атомов примеси по обе стороны границы раздела, что приведет к образованию двух приграничных заряженных слоев противоположного знака по отношению к примесной проводимости в каждой из областей.

Эти дваприграничных слоя и образуют область электронно-дырочного перехода, обедненного основными носителями. Поле, образованное р-п переходом, направлено против основного поля, образованного исходными атомами р – и п- проводимости, что вызывает образование тока дрейфа дырок и электронов, направленного противоположно исходному току диффузии. Возникает равновесное состояние, которое характеризуется некоторой величиной поля E, шириной р-п перехода w , емкостью C и контактной разностью потенциалов φк.

Такие переходы могут быть cимметричными и несимметричными. При симметричных переходах области полупроводника имеют одинаковую концентрацию примеси, а в несимметричных - разную (концентрации примесей различаются на несколько порядков - в тысячи и десятки тысяч раз).

Границы переходов могут быть плавными или резкими, причем при плавных переходах технологически трудно обеспечить качественные вентильные свойства, которые необходимы для нормальной работы диодов и транзисторов, поэтому резкость границы играет существенную роль; в резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L .

При подаче внешнего напряжения для электронно-дырочного p-n-перехода характерны три состояния: равновесное; прямосмещенное); обратносмещенное).

Равновесное состояние p-n-перехода рассматривается при отсутствии напряжения на внешних зажимах. В этом случае потенциальный барьер, возникающий на границе двух областей, препятствует равномерному распределению носителей по всему объему полупроводника. Преодолеть этот барьер в состоянии лишь те основные носители, у которых достаточно энергии и они образуют через переход диффузионный ток I диф. Кроме того, в каждой области имеются неосновные носители, для которых поле p-n-перехода будет ускоряющим, эти носители образуют через переход

дрейфовый ток I др, который чаще называют тепловым или током насыщения I 0 . Суммарный ток через равновесный p-n-переход будет равен нулю:Свободное движение носителей через электронно-дырочный переход возможно при снижении потенциального барьера p-n-перехода. При этом происходит инжекция носителей заряда, т.е. их переход из области эмиттера в область базы в другую под действием внешнего напряжения. Область эмиттера легируется примесными атомами значительно сильнее, чем база. За счет разной концентрации примесных атомов в несимметричных переходах имеет место односторонняя инжекция: поток носителей из области с низкой концентрацией примесных атомов (из базы) очень слабый и им можно пренебречь.

При прямой полярности внешнего источника равновесное состояние перехода нарушается, так как поле этого источника, накладываясь на поле p-n-перехода, ослабляет его, запрещенная зона перехода уменьшается, потенциальный барьер снижается, сопротивление перехода резко уменьшается, диффузионная составляющая тока при этом возрастает в «е u / j t » раз и является функцией приложенного напряжения

где j t = kT/q - температурный потенциал (при комнатной температуре j t = 0,025В);

k - постоянная Больцмана;

T - температура;

q - заряд электрона.

Составляющая тока I о в идеализированном переходе при воздействии прямого внешнего напряжения остается практически без изменения. Следовательно, прямой результирующий ток через идеальный p-n-переход

(2.2.)

и окончательно

(2.3)

Уравнение (2.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.

При построении ВАХ перехода по (2.1) видно, что для идеального p-n-перехода при напряжениях, больших нуля, характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения. Для реальной ВАХ при учете омического падения напряжения в слое базы, внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы r б при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 2.1) реального перехода, можно записать следующим образом:

(2.4)

При обратной полярности внешнего источникаполярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется. При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа:

(2.5)

Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения

(2.6)

Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 22.1).

При U обр, большем 3j t , диффузионный ток через переход прекращается. При этом ток неосновных носителей продолжает течь через переход.

Отношение прямого и обратного тока называется коэффициентом выпрямления.

К выпр =I пр /I обр = exp U/j t ,(2.7)

Очевидно, что К выпр имеет очень большую величину и характеризует выпрямительные свойства р-п перехода

Обратный ток в общем случае носит название тока термогенерации и имеет большую величину; тогда как тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается (в Si p-n переходе), так как он на 2-3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.

В реальном переходе наблюдается значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. При действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки - в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Этот ток слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения

(2.8)

С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:

туннельный (при напряженности поля перехода свыше 10 6 В/см, до точки «а»);

электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;

тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).

Рис. 2.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода

Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства и его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.

Класс 2lg, 13,-„

СС Ср № 63799

4 рл И;,-..:,и- -., „р,Р анн оса

Зар гГГслГрировано в F>cg.c изо,",ретениГс Госплана СССР (\ г l.гв Г.

А. Г. Александров

Заявлено 31 января 1941 года в Наркомэлектропром эа X 40368 (304420) Опубликовано 31 гяая 1945 года

Настоящим изобретением предлагаетгя способ снятия статических характеристик электронных приборов с плавным электростатическим управлением.

Для ряда практических целей бывает необходимо иметь характеристики указанных приборов, снятые в зависимости от потенциала управляющего электрода при неизменных потенциалах на прочих электродах. Для ламп малой мощности эти характеристики обычно снимаются простым точечным способом. 3а последнее время появился ряд специальных устройств, позволяющих на экране электронного осциллоскопа получать сразу семейство статических характеристик.

Для мощных электродных ламп, например, мощных генераторных ламп, вопрос о снятии статических характеристик является более серьезным, так как их электроды, не рассчитанные на большие перегрузки, не в состоянии выдержать тех мощностей, которые могут рассеиваться на них при снятии полных статических характеристик.

Далее имеется ряд таких ламп, которые не в состоянии выдержать даже тех облегченных режимов, в которых они находились бы в специальных схемах для снятия семейства статических характеристик осциллоскопическим методом.

В ряде специальных физических исследований активированных сложных катодов, например, оксидных, бывает необходимо вести измерение тока электронной эмиссии в таких режимах, чтооы катод заметно не нагревался за счет наложения измеряемого тока на ток накала.

Указанные трудности легко разрешаются использованием предлагаемого способа, сущность которого может быть понята из последующего описания и рассмотрения фиг. 1 — 8 чертежа.

На фиг. 1 показана исследуемая электронная лампа 1, в цепь управляющего электрода которой периодически подаются узкие импульсы напряжения от сопротивления 14, включенного последовательно с источником смещаю щего сеточного напряжения о, заблокированног0 емкостью 9.

Периодические узкие импульсы напряжения получаются от конденсатора 25, заряжаемого от регулируеМого источника постоянного тока 21 через потенциометр 22 и

¹ 63799 сопротивления 28 и 24. Указанный конденсатор периодически вынужденно разряжается через тиратрон

26, периодически вынужденно зажигаемый при помощи пикового трансформатора 27, вторичная цепь которого включена последовательно с источником сме цающего напряжения 30 через потенциометр 29.

Для ограничения тока сетки в цепь сетки этого тиратрона введено ограничительное сопротивление 28.

Разряд конденсатора производится на безиндукционное сопротивление

14, включенное в цепь управляющего электрода исследуемой электронной лампы. Потенциалы на другие электроды подаются от источников постоянного тока 2, 3, 4 и т. д., которые могут быть регулируемы. Эти источники заблокированы достаточно большими емкостями 6, 7, 8 и т. д. с той целью, чтобы при прохождении через указанные электроды импульсов тока не было заметного снижения потенциалов на электродах и тем самым искажения снимаемых характеристик. Это обстоятельство имеет особенное значение в тех случаях, когда источники, питающие цепи электродов, маломощны и имеют большие внутренние сопротивления.

Напряжения источников 2, 3, 4, 5 могут быть измерены при помощи вольтметров постоянного тока 31, 82, 88, 34. В цепи электродов введены заранее известные безиндукционные сопротивления 10, 11, 12, 18, на которых получаются узкие импульсы падения напряжения при прохождении через них узких импульсов токов. Эти падения напряжения при помощи коммутатора 15 подаются к вспомогательному устройству, при помощи которого они могут быть поочередно измерены.

Вспомогательное измерительное устройство состоит из источника постоянного тока 17, потенциометра

16, вольтметра постоянного тока 18, вентиля 20 и индикатора тока 35.

На фиг. 2 сплошной линией показана во времени кривая напряжения, имеющегося непосредственно между сеткой и катодом тиратрона 26. Пунктирной линией на этой фигуре показана во времени кривая смещающего напряжения на потенциометре 29.

На фиг. 3 показана во времени кривая напряжения на конденсаторе 25, заряжающегося в течение времени 1, от источника 21 и в течение времени 1 разряжающегося на сопротивление 4. Таким образом период колебания равен t,+t,=Т.

Этот период, в свою очередь,равен периоду колебаний напряжения, подводимого к трансформатору 27. Колебания взяты вынужденными, так как в этом случае получается более четкая картина и обеспечиваются более точные измерения. Попутно следует указать еще и на то обстоятельство, что использование периодических колебаний имеет несомненные преимущества перед единичным импульсом. Дело в том, что метод периодических импульсов безусловно обеспечивает большую точность, отбрасывает элемент случайности и кроме того в значительной: мере экономит время, затрачиваемое на измерение.

На фиг. 4 показана во времени кривая напряжения, имеющегося непосредственно между сеткой и катодом исследуемой лампы. Как видно из этого графика, кривая сеточного напряжения имеет вид весьма узких импульсов. Максимальное значение кривой импульсов может быть легко регулируемо" либо изменением напряжения при помощи потенциометра 22, либо же изменением напряжения источника

5. Таким образом можно изменять" напряжение управляющего электрода (сетки).

На фиг. 5 показана во времени примерная кривая импульса тока в цепи любого из электродов. Эта кривая соответствует кривой фиг. 4.На фиг. 6 схематично показана во времени примерная кривая импульса в цепи какого-либо из электродов с сильно растянутой. осью времени. На этом же графике показаны пунктирные линии 2, 8, 4„ относящиеся к напряжению на по63799 тенциометре 16. Здесь показаны три случая. Линия 2 относится к тому случаю, когда напряжение на потенциометре 16 больше максимального значения на соответствующем безиндукцио ином сопротивлении в цепи того или иного электрода, т. е. Й„>1„,Р.

В этом случае вентиль 20 будет заперт, так как его анод отрицателен по отношению к катоду.

Кривая 2 на фиг. 6 относится к тому случаю, когда П„= I„,Ь.

Этот случай является критическим, для которого и производится измерение. Измерив при помощи вольтметра 18 напряжение на потенциометре в этом случае и, зная заранее данное сопротивление К легко определить значение импульса тока 1„,.

Кривая 4 на фиг. 6 относится к тому слiчаю, когда U„(I„,Â.

В этом случае анод вентиля 20 будет положителен по отношению к его катоду и через него пойдет ток, среднее значение которого будет измерено прибором 85. Появление тока будет служить признаком того, что критический режим перейден и поэтому требуется увеличивать напряжение на потенциометре 16.

В качестве вентиля 20 можно взять самый маленький кенотрон (диод), либо же триод, у которого сетка присоединена к аноду. Накал кенотрона следует питать от источника постоянного тока, причем общая точка должна быть выполнена на минусовом конце накального источника (для избежания влияния неэквипотенциальности катода и начальных скоростей электронов).

Кроме компенсационного метода измерения импульсов тока может быть использован и осциллоскопический или осциллографический метод. Для этой цели показанные пунктиром на фиг. 1 проводники

86 присоединяются к паре отклоняющих пластин осциллоскопа, дающих отклонение электронного луча по вертикали; другая же пара отклоня ющих пластин присоединяется к источнику с пилообразной кривой напряжения, причем этот источник синхронизирован с источником 27, подающим переменное напряжение в цепь сетки тиратрона

26. На экране осциллоскопа при этом появятся четкие импульсы падения напряжения (см. фиг. 5}, измерив которые при помощи предварительной градуировки и зн; я заранее значения безиндукционных сопротивлений в цепях электродов, можно определить и самые значения импульсов тока, При этом измерении обязательно следует применять электронный осцнлло коп или осциллограф. Применение шлейфного электромагнитного осциллографа должно дать значительные погрешности из-;-.а большой инерционности системы.

Способ подачи импульсов в цепь управляюшего электрода и измерения токов в цепи других электродов имеет ряд существенных преимуществ. Прежде всего в значительной мере у.меньшается мощность тиратрона, разряжающего конденсатор. Затем получается возможность измерения токов в цепи любого электрода при любых потенциалах на других электродах, чего нельзя иметь в том случае, когда импульс тока измеряется в цепи того электрода, к которому подводится импульс потенциала.

При настоящем способе лампа „отпирается" лишь в те моменты, когда на управляющий электрод подается импульс потенциала. В остальное время на управляю:цем электроде находится достаточно большой (по абсолютному значению) отрицательный потенциал.

Примерные статические характеристики, получаемые предлагаемым способом, приводятся на фигурах

Предмет изобретения

1. Способ снятия статических характеристик электронных приборов с плавным электростатическим управлением, отли чающи и с я тем, что в цепь управляющего электрода последовательно с регулируемым напряжением смещения пе№ 63799 риодически подают имеющее форму узких импульсов напряжение от заряжаемого от постороннего источника и периодически вынужденно разряжаемого при помощи тират рона конденсатора, а к другим электродам обследуемого электронного прибора через заранее известные безиндукционные сопротивления прикладывают регулируемые напряжения от источников постоянного тока, заблокированных емкостями, причем, получающиеся при этом MQKcHMBJlbHblp. значенИя импульсов токов в цепях этих электродов измеряют по импульсам падения напряжения на указанных выше сопротивлениях, к которым через вентиль и индикатор тока прикладывают регулируемое компенсирующее напряжениее.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся применением для измерения максимальных значений импульсов в цепях электродов обследуемой электронной лампы электронного.осциллоскопа или осциллографа., одна пара отклоняющих электродо", которого присоединена к концам или части сопротивлений, введенных в цепи электродов, а к другой паре отклоняющих электродов подведено пилообразное напряжение, синхронизованное с источником переменного напряжения, подаваемого в цепь управляющего электрода тиратрона, периодически разряжающего конденсатор.

Техн. редактор М. В. Снольякьва

Отв. редактор Д. А. Михаилов

Типография Госпланнздата, ни. Воровского, Калуга

Л!49953. Подписано к печати 25 XI 1946 г. Тираж 500 экз. Цена 65 коп. Зак. 325

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Классификация

Электронным прибором (ЭП) называют устройство, в котором в результате взаимодействия свободных или связанных носителей заряда с электрическим, магнитным и переменным электромагнит­ным полем обеспечивается преобразование информационного сиг­нала или преобразование вида энергии.

Основными признаками классификации разнообразных по прин­ципу действия, назначению, технологии изготовления, свойствам и параметрам можно считать: вид преобразования сигнала; вид рабо­чей среды и тип носителей заряда; структуру (устройство) и число электродов; способ управления.

По виду преобразования сигнала все ЭП можно разбить на две большие группы. К первой группе относятся ЭП, в которых использу­ется преобразование одного вида энергии в другой. В эту группу вхо­дят электросветовые ЭП (преобразование типа электрический сигнал в световой), фотоэлектронные приборы (световой сигнал в электрический), электромеханические (электрический сигнал в ме­ханический), механоэлектрические ЭП (механический сигнал в элек­трический), оптопары (электрический сигнал в световой и затем сно­ва в электрический)и др.

Ко второй группе обычно относятся электропреобразователь­ные приборы, в которых изменяются параметры электрического сиг­нала (например, амплитуда, фаза, частота и др.).

По виду рабочей среды и типу носителей заряда различают сле­дующие классы электронных приборов: электровакуумные (вакуум, электроны), газоразрядные (разреженный газ, электроны и ионы), полупроводниковые (полупроводник, электроны и дырки), хемотронные (жидкость, ионы и электроны).

Электроды электронного прибора – это элементы его конструк­ции, которые служат для формирования рабочего пространства при­бора и связи его с внешними цепями. Число электродов и их потенциалы определяют физические процессы в приборе. Наиболее на­глядно это в электронных лампах: двухэлектродные (диоды), трех­электродные (триоды), четырехэлектродные (тетроды) и пятиэлект­родные (пентоды).

Режимы, характеристики и параметры электронных приборов

Совокупность условий, определяющих состояние или работу электронного прибора, принято называть режимом электронного прибора, а любую величину, характеризующую этот режим (к приме­ру, ток или напряжение), – параметрами режима. Говорят об усилительных, импульсных, частотных, шумо­вых, температурных и механических свойствах, о надежности и т.п. Количественные сведения об этих свойствах называют параметра­ми прибора . К ним, например, относят коэффициенты передачи токов, характеристические частоты, коэффициент шума, интенсивность отказов, ударную стойкость и др.

Вначале остановимся на понятиях статического и динамическо­го режимов приборов. Статическим называют режим, когда прибор работает при постоянных («статических») напряжениях на электро­дах. В этом режиме токи в цепях электродов не изменяются во вре­мени и распределения зарядов и токов в приборе также постоянны во времени. Другими словами, в статическом режиме все парамет­ры режима не изменяются во времени. Однако, если хотя бы один из параметров режима, например напряжение на каком-то электроде, изменяется во времени, режим называется динамическим.

В динамическом режиме поведение при­бора существенно зависит от скорости или частоты изменения воз­действия (например, напряжения).

У большинства приборов эта зависимость объясняется инерци­онностью физических процессов в приборе, например конечным временем пролета носителей заряда через рабочее пространство или конечным временем жизни носителей. Конечность времени пролета приводит к тому, что мгновенное значение тока электрода, к которому движутся носители, в выбранный момент времени бу­дет определяться не только значением напряжения на электроде в этот момент, но, естественно, и предысторией, т.е. всеми значени­ями напряжения от момента начала движения в приборе до прихо­да носителя заряда к рассматриваемому электроду. Следователь­но, связь мгновенных значений тока и напряжения в динамическом режиме должна отличаться от связи постоянных значений тока и напряжения в статическом режиме. Однако если время пролета значительно меньше периода изменения переменного напряже­ния, то это.отличие во взаимосвязи будет несущественным, т.е. связь мгновенных значений будет практически такой же, как посто­янных величин в статическом режиме. Указанная разновидность динамического режима называется квазистатическим режимом («квази» – означает «как бы» или «как будто»).