Васильев Л.А. - Конспект лекций
.pdfГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ТОЭ»
Л.А. ВАСИЛЬЕВ
ПРОМЫШЛЕННАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
КОНСПЕКТ
ЛЕКЦИЙ
Рассмотрено на заседании каф. электромеханики и ТОЭ протокол № 1 от 31.08.2011
Утверждено на заседании Учебно-издательского совета ДонНТУ протокол № 7 от 24.11. 2011
Донецк – 2011
2
УДК 621.38
Васильев Л.А. Промышленная электроника. Конспект лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. –2011. –112 с.
В учебном пособии представлены материалы лекций по полупроводниковым приборам, усилительным и генераторным устройствам, цифровым средствам промышленной электроники, силовым преобразовательным устройствам.
Предназначено для студентов направления подготовки 6.050701 «Электротехника и электротехнологии».
© Васильев Л.А., 2011
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….4
Раздел 1 КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ……….…….…...…..5
Лекция 1 Электропроводность полупроводников. Электронно-дырочный переход……………..………….…..5
Лекция 2 Полупроводниковые диоды……………………………..…12
Лекция 3 Биполярные транзисторы………….……….…………..…..18 Лекция 4 Полевые транзисторы…..…………………………………..25 Лекция 5 Тиристоры.………………………………………….……….33
Лекция 6 Интегральная электроника. Оптоэлектронные приборы...40
Раздел 2 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА……………..………..46
Лекция 7 Транзисторные усилители……………………….…….…...46 Лекция 8 Транзисторные усилители (часть 2)……….……………...52 Лекция 9 Усилители постоянного тока. Операционные усилители..58 Лекция 10 Операционные схемы. Импульсные устройства……….…64
Лекция 11 Генераторы…………………………………………….…….71
Лекция 12 Логические элементы……………………………………….76
Лекция 13 Цифровые устройства………………..……………………...82
Раздел 3 СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА…………………………….90
Лекция 14 Источники вторичного электропитания………………......90 Лекция 15 Управляемые выпрямители…….…………………………..98
Лекция 16 Инверторы.…………………………………………………106
Список рекомендованной литературы………………………………...111
4
ВВЕДЕНИЕ
Невозможно переоценить роль электроники в жизни современного общества. Она по праву считается основой и катализатором научно-технического прогресса. Без электроники немыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие электроэнергетики и вычислительной техники, ни автоматизация производства, ни радиовещание и телевидение. Электронные устройства используются во всех сферах человеческой деятельности, электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении современных научнотехнических задач.
В промышленности каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без электроники. Значительная роль электроники в развитии электроэнергетики обусловлена тем, что основные процессы производства, распределения, преобразования и потребления электрической энергии базируются на широком применении средств электронной и вычислительной техники. Поэтому курс «Промышленной электроники» является важной частью инженерной подготовки специалистов в области электроэнергетики и электротехники.
Пособие состоит из трех разделов, в которых системно изложены физические процессы, принципы устройства и работы компонентов и устройств современной информационной и энергетической электронной техники, применяемой в промышленности, электроэнергетике и на транспорте.
5
Раздел 1
КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Лекция 1 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
1.1Основные понятия
Электроника изучает принципы устройства, работы и применения приборов, действие которых основано на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в твердых телах, в вакууме и в газе.
Промышленная электроника (ПЭ) → применение электронных приборов в промышленности, в электроэнергетике, на транспорте.
информационная ПЭ;
энергетическая ПЭ.
1.2Основные классы полупроводниковых приборов
Полупроводниковые приборы – активные компоненты электронных устройств.
Режимы работы полупроводниковых приборов:
ключевой;
усилительный.
Диод – обеспечивает однонаправленную передачу электрического сигнала, неуправляемый ключ.
Транзистор – управляемый полупроводниковый прибор, работает в ключевом и усилительном режимах.
Тиристор – управляемый ключ.
6
1.3Электропроводность полупроводников
Собственная электропроводность полупроводников
W
зона проводимости
W |
запрещенная зона |
валентная зона
Энергетическая диаграмма
Генерация носителей зарядов – процесс образования пары свободный электрон-дырка.
Рекомбинация – захват свободного электрона дыркой.
Ge Ge
Ge |
Ge |
|
|
+ |
|
|
Генерация зарядов |
|
|
|
|
|
- |
|
в полупроводнике |
|
|
|
|
|
|
|
W |
В чистом полупроводнике: |
n p |
A e 2kT . |
|
|
i |
i |
|
Примесная проводимость полупроводников
вызвана присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью.
Примеси: ● донорная; ● акцепторная.
7
Полупроводник n-типа: основные носители заряда – электроны.
Ge
-
Ge Sb Ge
Ge |
Образование |
|
|
|
избыточного электрона |
W
зона проводимости уровни доноров
валентная зона
Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа
В n-полупроводнике: nn >> pn ; nn = pn + Nд Nд >> ni.
Полупроводник р-типа: основные носители заряда – дырки.
|
Ge |
|
Ge |
In |
Ge |
Ge |
+ |
|
Ge |
Образование |
|
|
|
|
|
|
избыточной дырки |
8
W
зона проводимости
уровни акцепторов
валентная зона Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа
В р-полупроводнике: pp >> np ; pp = np + Na Na >> pi.
1.4Дрейфовый и диффузионный токи
Дрейфовый ток (дрейф) – направленное движение носителей заряда под воздействием электрического поля:
I др = I др n + I др p .
+ + + +
Е
Принцип дырочной проводимости
Средняя скорость перемещения носителей заряда (подвижность носителей):
vn = n E ; |
vp = p E ; |
n > p . |
Электропроводность полупроводника:
n q nn n ; |
p q pp p ; |
n > p . |
Диффузионный ток (диффузия) – направленное движение зарядов под действием градиента концентрации:
Iдиф = Iдиф n + Iдиф p .
9
1.5 |
Электронно-дырочный переход |
|
|
|
Электронно-дырочный переход (р-n-переход) – |
область на границе |
|||
|
двух полупроводников, один из которых имеет |
|||
|
электронную, а другой – дырочную проводимость. |
|||
Изолированный p-n-переход |
|
|
|
|
|
+ |
- |
|
|
|
n |
p |
|
|
|
+ |
- |
|
|
|
Uк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
n |
x |
UK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
Потенциальная диаграмма изолированного перехода |
Uк = n – p – потенциальный барьер (контактная разность потенциалов)
U |
ln |
N |
a |
N |
д |
; |
d |
2ε ε0 |
Uк Nа Nд |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
K |
T |
|
|
2 |
|
|
|
|
q NдNa |
|
|
|
ni |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Iпер = Iдиф – Iдр = 0. |
|
|
|
10
Прямосмещенный р-n-переход (при прямом напряжении) |
||||
|
- Uпр |
+ |
|
|
|
Iпр |
|
|
|
|
+ |
- |
|
|
|
n |
|
p |
|
|
+ |
- |
|
|
|
Uк |
|
Uпр |
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
n |
|
X |
U-U |
|
|
|
к пр |
|
+ |
dпр |
|
|
|
Потенциальная диаграмма прямосмещенного перехода |
Суммарный ток перехода – прямой ток:
Iпр = Iдиф – Iдр > 0;
Iдиф >> Iдр .
Инжекция носителей заряда – усиление диффузии через переход под действием прямого напряжения.