Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

- кремний диодтары үшін 1,5 В аспайды.

Шоттки диоды. Түзетуші диодтар болып металл–өткізгіште орындалатын түзеуші диодтар қолданылады.

Шоттки диодтарында электрондық-кемтікті ауысуға жататын негізгі емес заряд тасымалдаушыларда жүретін жиналу және сіңіп кету процесстері жүрмейді. Сондықтан  Шоттки диодтары басқа диодтарға қарағанда жылдам әсер ету қасиетіне ие.

 Шоттки диодтарының  артықшылығы төменгі кернеуді  түзеткен кезде ерекше бйқалады. Түзеткіште Шоттки диодын пайдалану жоғалтуды 10-15 %-ға азайтуға мүмкіндік береді (жылдам әсер ету есебінен). Шоттки диодының жұмыс кезіндегі жиілігі f_max 30 А тоқта, 200 кГц болады.

Шоттки диодтары келесі параметрлер бойынша сипатталады.

 I_{орт.кері}–қайтымды тоқтың орташа мәні (немес I_кері – бекітілген кері кернеудегі кері тұрақты тоқ);

U_{тура орт.}–бекітілген тура тоқтағы тура кернеудің белгілі бір  уақыттағы орташа мәні (немес U_тура–бекітілген тұрақты тоқ кезіндегі тұрақты тура кернеу;

U_{кері.мах}–рұқсат етілетін максималды қайтымды кернеу (амплитудалық мәні);

U_{орт. кері} –тоқтың максималды рұқсат етілетін орташа мәні (немесе I_{түзелген орт.мах} – түзетілген рұқсат етілетін максималды орташа мәні) – белгілі бір уақыттағы активті жүктелген бір жартылы периодты түзеткіштен өтетін тоқтың орташа мәні.

Жоғары жиіліктегі диодтар. Жоғары жиіліктегі диод (ЖЖД) 1000 МГц жиілікте жұмыс істеуге арналған. Бұндай жиіліктегі ауысудың кіші тосқауылдық сыйымдылықтағы диодтары ғана жұмыс істей алады (1-2 пФ). Сондықтан жоғары жиіліктегі диодтар ретінде көбінесе нүктелік диодтар қолданылады (2.8-сурет). 10 МГц жиілікте микроеріткіш диодтар қолданылады. Жағары жиіліктегі диодтар жиіліктің кең диапазонында, яғни, төменгі жиілікте жұмыс істей алатындықтан оларды универсалды деп атайды.

Жоғары жиіліктегі диодтар жиілікті ауыстырурышыларды және басқа сызықтық емес құрылғыларды қолданатындықтан, олардың маңызды параметрі болып  тура дифференциалдық кедергі немесе айнымалы тоққа түсетін кедергі  болып табылады: r_диф= .

Жоғары жиіліктегі диодтардың ерекшіліктері:

–жоғары жиіліктегі диодтар 1000 МГц  жиіліктегі тоқтарды түзеу (детектрлеу) үшін арналған;

–бұндай жиілікте жұмыс істейтін диодтар тек қана сыйымдылықтың  аз шамасында қалыпты жұмыс істей  алады. Сондықтан да жоғары жиілікті диодтарда нүктелік немесе микроқұймалы  рn-ауысуларды орнатады;

–жоғары жиіліктегі диодтарда түзетілген тоқтың рұқсат етілген максималды мәні ондаған миллиамперден аспайды, ал рұқсат етілетін кернеудің максималды кернеуі он вольтқа жетеді.

Импульсті диод–бұл импульсті режимдегі жұмысқа арналған ауыспалы процестердің аз шамасындағы уақытта қолданылатын диодтар.

Импульсті диодтар әр түрлі электронды жүйелерде электронды кілт ретінде  жұмыс атқарады 1.5, а-сурет). Жүктеме тізбектелген диодқа кернеу беріледі. Оң импульс кезінде диодта тура кернеу болады, осыған орай оның кедергісі аз (кілт тұйықталған),  R_ж  резистор арқылы тоқ өтеді. Теріс импульс кезінде диодқа кері кернеу түседі, оның кедергісі үлкен, (кілт тұйықталмаған), жүктемеде тоқ болмайды.

а)                б)           в)

1.5-сурет. Диодты кілттің қарапайым жүйесі және ондағы жұмыстардың уақытша диаграммалары

 

Импульсті диодтарда  τ_вост -ны азайту бірнеше әдіспен жасалынады:

1.   базадағы өндіру процессін  жылдамдату арқылы (базаға аз мөлшердегі алтын қоспасын енгізу арқылы);

2. диодтың сыйымдылығын азайту  арқылы (микроқұйылмалы ауысуларды  қолдану арқылы. Диодтағы ауыспалы  процессі диодта және оны  U_кері -дан U_тура кернеуіне қосқан кезде пайда болады.

Импульсті диодтардың жалпы параметрлері:

U_тура–белгілі бір тұрақты тоқтағы диодтың тура кернеуі;

I_{түзелген.мах}–рұқсат етілген максималды түзетуші тоқ;

I_{кері мах} –рұқсат етілген максималды кері бағыттағы тоқ;

С_д–диод сыйымдылығы;

U_{тура имп}–тұрақты тоқтың бекітілген импульсіндегі тура импульсті кернеуі;

 I_{тура имп...мах}–импульс ұзақтығы бекітілген кездегі тоқтың максималды рұқсат етілетін мәні;

 t_восст –қайтымды кернеуді қалпына келтіруге кететін уақыт.

Импульсті диодтар электронды кілт режимінде жұмыс істейді. Импульс  ұзақтығы аз болғандықтан, диод бір күйден екінші күйге тез көшуі тиіс. Импульсті диодтардың жылдам ауысып тұруы негізгі параметрмен сипатталады–қайтымды кедергіні қалпына келтіру уақытымен. Импульсті диодтарда азайту үшін базадағы негізгі емес заряд тасымалдаушыларды тартып алуға арналған процессті жылдамдататын арнайы шаралар қолданады. Импульсті диодтардың талаптарын базадағы негізгі емес тасымалдаушылардың топталуы мен инжекцияның болмауы салдарынан кіші инерттілікке ие болатын Шотки диодтары қанағаттандырады.

Өте жоғары жиіліктегі диодтар. Өте жоғары жиіліктегі диодтар (ӨЖЖД) толқын ұзындығы сантимметр және миллиметрмен өлшенетін диапазонда жұмыс істеуге арналған (10⁸-10⁹ Гц). ӨЖЖД түрлері:

–аралас (супергетеродинді қабылдағыштарда қолданылады); 

–видеодетекторлы (ӨЖЖ-сигналдарды детектірлеу үшін қолданылады);

–параметрлік (ӨЖЖ күшейткіштерде қолданылады);

–қосылғыш (ӨЖЖ тізбектерде электронды қосып өшіру үшін қолданылады);

–көбейткіш (диодтың сызықтық еместігінен шығатын жиіліктердің жоғары гармоникаларын алу жолымен жиілікті көбейтуге арналған).

ӨЖЖ диодтардың меншікті кедергісі  аз болатын жартылай өткізгіштен  жасайды (базадаға қоспаның жоғары концентрациясымен), оларды өте кіші өлшемді нүктелік рn-ауысу болады. ӨЖЖ диодтарға  төменгі қасиеттер тән:

–базадағы заряд тасымалдаушылардың жылдам өндірілуі;

–ауысудың кіші сыйымдылығы.

Бірақ қоспасының концентрациясы жоғары болатын жартылай өткізгішті қолдану  келесі құбылыстарды болдырады:

–потенциалдардың  контактілі айырымының өсуіне, яғни, U_тура кернеуінің өсуіне;

–pn –ауысудың  қалыңдығын азайтады, ол U_при6 кернеуінде және I _{қосымша тура.мах} тоғын төмендетеді.

 

1.6.1 Стабилитрон

 

Жартылай өткізгішті стабилитрон–бұл кремнийлі диод, ол ойылу режімі кезінде жұмысі істеп, кернеуді тұрақты ұстап тұратын аспап.

Негізгі материалы кремний, бұл материалды қолданатын себебі кремнийлі диодтың кері температураға аз мәнді және төмен байланысы болып табылады. Электрлік тесілу бұл диодтар үшін жұмыс кернеуі болады. Стабилитронды тұрақты тоқты сызықты емес тізбектерді стабилизациялау үшін қолданылады. Стабилитронның вольтамперлік сипаттамасы келесі суретте көрсетілген.

Жоғарғы кернеуді тұрақтандыру үшін, яғни  U_ст>3 В стабилитронның керібағыттағы вольтамперлік сипаттамасы қолданылады (суреттегі АВ учаскісі, б). Ал аз ғана U_ст<1 В кернеуді стабилизациялау үшін вольтамперлік сипаттамасының оң бағыты қолданылады, мысалы интегралды сұлбаларда вольтамперлік сипаттаманың оң жағы қолданылады, (СД учаскісі), бұл кезде қолданылған диодты стабистор деп атайды. Стабисторлардың параметрлері стабилитрондар параметріне сәйкес.

1.6, а суретінде кремнийлі стабилитронның ВАСкөрсетілген, ал 1.6, б–суретінде стабилитронның стабилизация сұлбасы.

1 нүктесі токтың минимальді мәніне сәйкес келеді, бұл кезде электрлік тесілу режімі болады. 3 нүкте диодтың кері қосылу кезіндегі қуаттың максимальді рұқсат етілетін қуатына сәйкес болады.

Стабилизация сұлбасы келесі түрле  есептелінеді, номиналды U_кір кернеуі кезінде R_ж арқылы керекті ток ағы керек, бұл кезде жүктемедегі және стабилитрондағы кернеу U_ст стабилитрон кернеуіне тең болуы керек, ал стабилитрон арқылы  ағатын ток I_ст.орт тогына тең болады (2 теңге).

 

а)

 

б)

 

1.6 сурет. Стабилитронның ВАС мен қосылу сұлбасы

 

Жүктемедегі кернеуді стабилизациялау  процессі келесі түрде өтеді. Егерде кіріс кернеу жоғарласа, онда стабилитрондағы кедергі төмендейді, ал жүктемедегі кернеу мүлдем өзгермейді. Артық кернеу R_б балласты резисторында өшеді. Стабилитронның стабилизациясы базаның меншікті кедергісіне тәуелді. Базаның меншікті кедергісі үлкен блған сайын, соғұрлым кернеуі үлкен болады. Өнідірістерде шығарылатын стабилитронның кернеуі 3,3–180 В.

Стабилитронның негізгі параметрлері:

–U_ст–стабилизация кернеуі, яғни берілген стабилизация тогы ағу кезіндегі стабилитрондағы кернеу;

–r_ст–стабилитронның дифференциалды кедергісі, ΔU_ст/ΔI_ст;

–α_ст–кернеудің температуралы стабилизация коэффициенті.

Стабилитронның шектелген параметрлері:

–I_cт.min– U_ст кернеуі берілген мәні кезіндегі рұқсат етілген минималбді стабилизация тогы;

–I_cт.max– U_ст кернеуі берілген шекте болған кездегі максимальді рұқсат етілген стабилизация тогы, бұл кезде температура рұқсат етілген шектен жоғары емес;–Р_mах–максимальді рұқсат етілген шашырайтын қуат, бұл кезде жылулық ойылу пайда болмайды.

Сонымен, жартылай өткізгішті диод, кремнийлі  диод болып табылады. Бұл диод кері кернеу кезінде, электрлік ойылу режімінде жұмыс істейді. Стабилитрон жүктемеге параллельді қосылады, ал тармақталмаған тізбекке балласты резистор қосылады.

 

 

1.7  Биполярлы транзисторлар

 

Биполярлы транзисторлар. Екі немесе бірнеше электрлік р-п өткелі бар, қуатты күшейтуге жарайтын,  үш немесе одан да көп сыртқы қосылғышы бар электрлік түрлендіргіш шала өткізгіш аспапты биполярлық транзисторлар дейміз. Транзисторларды қолданады күшейту және электрлік толқындарды генерациялау  немесе электрлік тізбекті коммутациялау үшін қолданылады.  Биполярлық  транзисторыларды түрлеріне байланысты бөледі  p-n-p және  n-p-n типтерге, қуат бойынша  (кіші , орташа және үлкен), жұмыстық жиілік бойынша(төменгі, орташа және  үлкен  жиілікті)  және де басқа жағдайлар бойынша.  Суретте биполярлық транзистордың құрылымдық схемасы мен шартты белгісі көрсетілген.Электрлік қосылғышы бар кристаллдың ортанғы бөлімін база деп атаймыз (Б), тікелей қосылған өткелді – эмиттер дейміз (Э), екіншісі кері қосылғанды  - коллектор деп атаймыз (К).Эмиттер, база және  коллектор арасында  екі р-п өткел бар, ол эмиттерлік өткел және коллекторлық өткел аталады.  1-эмиттерлік өткел (ЭӨ), 2-коллекторлық өткел   (КӨ)

 

 
1.7-сурет.  р-п-р және п-р-п биполярляқ транзистордың құрылысы мен белгіленуі

Р-п облыс арасындағы шекарада кеңістік заряд ауданы пайда  болады, сондықтан электрлік өріс эмиттерлік және коллекторлық өткелдерде былай бағытталған, р-п-р транзистордың  базалық ауданы кемтіктер үшін энергетикалық  тосқауыл жасайды, өйткені олар эмиттерден коллектроға өтуге асығады. П-р-п транзистор үшін базалық аудан аналогты тосқауыл жасайды, эмиттерлік аудандағы электрондар үшін. Сыртқы ығысу жоқ болғандықтан, өткелдерде заряд тасмалдаушылардың ағыны өткелдер арқылы компенсацияланған және токтар транзистордың электроды арқылы болмайды. 

 

 
1.8-сурет. Биполярлық транзисторлардың жұмысын түсіндіретін сұлба

 

Кіріс сигналдың күшейту  режимінде транзистор жұмыс істеу  үшін, эмиттерлік өткелді тура бағытта  ығыстырады, ал коллекторлықты кері бағытта, қатысты диаграммалар 1.8-суретте көрсетілген. Эмиттерлік өткелге қойылған ығысу потенциалдық тосқауылды кішірейтеді, ал эмиттерден базаға кемтіктер инжекцияланады (р-п-р транзисторда) немесе кемтіктер (п-р-п транзисторда), инжекцияланған тасмалдаушы өтеді және коллекторға жетеді. База мен коллектор арасында тосқауыл жоқ, сондықтан коллекторға жеткен заряд тасмалдаушылар коллектор өткелі арқылы өтіп және колекторлық ток туғызады. Коллекторлық өткел эмиттерліктен жақын орналасқандықтан, эмиттермен инжекцияланған тасмалдаушылардың негізгі бөлімі коллекторға жетеді, сонымен қатар, эмиттердің инжекциялық тогы коллектордың тогына шамамен теңдей болады. Сол уақыттта қуат, токты тудыру үшін эмиттерлік тізбектің кірісіне жұмсалған, қуатты төмен, коллекторлық тізбектің шығысында белгіленіп шығады, яғни қуатты күшейтудің орнын алады. Сонымен, кіріс сигналы, потенциалдық тосқауылдың биіктігін өзгертіп, негізгі емес тасмалдаушылардың ағынын модуляциялайды, коллекторлық токты тудыратын және, тиісті, энергиясы есебінде коллекторлық батарейдің шығыс сигналын  күшейткен.

      Сонымен, колектор кері бағыттта ығысқандықтан, энергетикалық тосқауылдың биіктігі негізгі тасмалдаушылар үшін база мен коллекторда көп болғандықтан, олардың инжекциясы коллекторлық өткел арқылы жоқ. Коллекторлық өткел арқылы тек қана негізгі емес заряд тасмалдаушылар ағыны өтуге болады, тасмалдаушылардың базасы арқылы өткен ағын сигналдырдың күшейтуін қамтамасыз етеді, эмиттермен инжекцияланған, және негізгі емес заряд тасмалдаушылар ағыны, базада генерацияланатын,  кемтікті тудыратын токты азайтуды құрастыратын коллекторлық өткелде.