Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДВНЗ «Київський електромеханічний коледж»
Дисципліна: «Основи АТ та дискретні пристрої СЦБ»
Курс: 2.
Кількість студентів –
Викладач: С.В. Половко
Дата: 17.12.2009
Заняття № 36
Напівпровідникові пристрої
Тема: Основні відомості про безконтактні елементи АТ.
Мета: навчальна: Вивчити основні безконтактні елементи та принцип їх дії. Навчати студентів висловлюватися технічною мовою.
виховна: виховувати у студентів дисципліну, взаємоповагу, любов та інтерес до систем автоматики на залізничному транспорті, які вони вивчають.
розвиваюча: розвивати у студентів увагу, пам’ять, процеси мислення, логіку.
Тип заняття: лекція.
Тривалість: 90 хв.
Допоміжні матеріали та обладнання: підручник, інтерактивна дошка (проектор, ноутбук).
Хід заняття:
|
Етап заняття та його короткий зміст |
Орієнтовний час |
|
І. Організаційний момент: - рапорт чергового; - перевірка присутніх на парі; |
5 хв. |
|
ІІ. Перевірка домашнього завдання:
|
|
|
ІІІ. Повідомлення нового матеріалу:
В системах ЗАТ все більшого розповсюдження отримують пристрої, що виконані на безконтактних елементах: діодах, тиристорах, транзисторах, магнітних елементах і ін.. Розглянемо принцип дії найбільш часто вживаних напівпровідникових елементів. Їх принцип дії заснований на властивості кристалів і деяких хімічних елементів різко змінювати опір (провідність) в залежності від дії зовнішніх факторів і насамперед від полярності та значення прикладеної напруги. Найбільш широкого розповсюдження в якості вихідних матерів для п/п пристроїв отримали германій та кремній, трохи менше селен. Кремнієві пристрої володіють більш широким температурним діапазоном і більшим діапазоном робочих напруг, ніж германієві. Напівпровідниковий діод германієвий або кремнієвий являють собою елемент, опір якого різко змінюється в залежності від полярності прикладеної до нього напруги. Якщо напруга прикладена в напрямку, що проводить, - від анода до катода, то опір діода малий і через нього буде протікати струм, що визначається зокрема опором навантаження (рис 7.1, опір навантаження не показано). При зворотній полярності прикладеної напруги опір діода різко зростає і складає кілька сотень кілоом. Падіння напруги на діоді в прямій полярності складає 0,1 – 0,2 В для германієвих і 0,4 – 0,5 В для кремнієвих діодів; зворотний струм діодів, як правило, не перевищує 1 мА. В напівпровідниковій техніці застосовується більше число різних типів, розрахованих на прямий струм від кількох міліампер до кількох десятків ампер і на зворотну напругу від кількох десятків до сотень вольт. Так, для кремнієвих діодів Д226А, Д226Б, Д226В, Д226Г, Д226Д прямий струм складає 50-400 мА, зворотна напруга 50-400В, діоди Д242 розраховані на прямий струм до 10 А. У випадку перевищення допустимих (паспортних) значень струму чи напруги діод може вийти з ладу. При перевищенні прямого струму діод виходить з ладу в основному в результаті перегорання, а при перевищенні зворотної напруги наступає пробій напівпровідникового шару. Основними параметрами діода є максимальний випрямлений струм, максимально допустима напруга, пряме падіння напруги, зворотний струм і гранична температура. Електричні параметри залежать від температури, що характерно напівпровідниковим матеріалам (в довідниках + 25 °С). Діоди застосовуються як випрямні і стабілізуючі елементи, в логічних елементах, в ланцюгах обмеження сигналів і в ряді інших пристроїв автоматики. Стабілітрон, званий також опорним діодом, призначений для роботи в області пробою. Він використовується звичайно в електричних схемах стабілізації напруги (рис. 7.2). Нормальною (робочою) напругою для стабілітрона є зворотна напруга. При перевищенні напруги живлення в порівнянні з напругою пробою стабілітрона VD останній пробивається, після чого напруга на ньому практично не змінюється. У разі збільшення напруги живильної батареї надлишок напруги гаситься на баластний резистор Rб, а напруга на навантаженні Rн, включеної паралельно стабілітрону, залишається практично незміною. При включенні стабілітрона в прямому напрямку він працює як звичайний діод. В промисловості випускаються кремнієві стабілітрони на робочі струми стабілізації від декількох міліампер до декількох ампер і на напругу від 3,3 до 180 В. Стабістор використовують в пристроях автоматики в якості елементів, що володіють малими і стабільними напругами стабілізації. На відміну від стабілітронів вони працюють при прямому включенні. Тиристор (рис. 7.3), званий також керованим діодом, являє собою чотиришаровий монокристал; крім анода і катода, він має керуючий електрод. Нормально тиристор закритий, тобто не пропускає струм від анода до катода при підключенні до нього позитивної напруги. Відкривається тиристор при пропуску по керуючому ланцюгу (між керуючим електродом і катодом) невеликого струму управління. Після цього тиристор працює як звичайний кремнієвий діод, тобто струм в ланцюзі анода практично визначається тільки навантаженням, причому він залишається відкритим і після розмикання керуючої ланцюга, якщо між анодом і катодом зберігається пряма напруга. Падіння напруги на відкритому тиристорі становить приблизно 1В. Відкритий тиристор не може бути закритий зміною керуючого струму; для його закриття необхідно припинити струм в ланцюзі анод-катод або зробити анод негативним по відношенню до катода або короткочасно замкнути тиристор. Чим вище напруга на аноді, тим менший струм управління потрібно для відкриття тиристора. При досить високій напрузі на аноді тиристор може відкритися мимовільно, без пропускання струму через керуючий електрод, тобто втрачається керованість тиристора. В промисловості випускаються тиристори на різні робочі струми і напруги. Динистор є перемикаючий діодом. Його вольт-амперна характеристика схожа на характеристику тиристора, але на відміну від останнього він не має керуючого електрода, оскільки як і звичайний діод має тільки два виводи. Зовні він виглядає як звичайний кремнієвий діод. Так само, як і тиристор, включений динистор можна вимкнути, знявши з нього пряму напругу або короткочасно змінивши його на протилежне. Світлодіод має здатність випромінювати світло при роботі на прямий вітці вольт-амперної характеристики. Основними параметрами цього діода є - сила світла або потужність випромінювання, довжина хвилі (або колір) і діаграма спрямованості випромінювання, тобто розподілом потужності випромінювання по куту відхилення від осі. Цей діод характеризується також і звичайними параметрами діодів: прямою напругою, допустимим прямим струмом, допустимою зворотною напругою і т. д. У якості вихідних матеріалів для виготовлення світлодіодів використовують арсенід галію і фосфід кремнію. Розміри світлодіодів не перевищують 2-3 мм (в без корпусному оформленні). При роботі на прямий вітці такий діод нагадує крапку, що світиться. На основі такої структури виготовляють карбідо-кремнієві цифрові індикатори. Індикатор має сім елементів, що дозволяють при подачі прямої напруги висвічувати 10 цифр - від 0 до 9. Включення тієї чи іншої цифри забезпечується зовнішньою комутацією дев'яти виводів індикатора. Світлодіоди володіють високою швидкодією і економічністю. У пристроях залізничної автоматики їх поки застосовують обмежено, проте їх слід визнати перспективними, тому що за інших перевагах вони дозволяють наочно контролювати роботу окремих елементів схем. Світлодіод, з'єднаний з фототранзистором, утворює так звану оптронну пару (оптрон). Сигнал у оптроні передається за допомогою зміни інтенсивності випромінювання світлодіода з подальшим сприйняттям цього випромінювання фототранзистором, колекторний струм якого залежить від освітлення бази. До переваг такого пристрою можна віднести гальванічну розв'язку між вхідним і вихідним сигналами, що є суттєво багатьом схемам залізничної автоматики і телемеханіки. Транзистор, або напівпровідниковий тріод, являє собою тришаровий монокристал, який має три виводи (електрода), які називають емітером, колектором і базою. Переходи емітер - база і колектор - база проводять електричний струм в одному напрямі - у бік базового виводу, а у зворотному напрямку вони представляють великий опір, тобто ці переходи аналогічні діодам. Перехід емітер - колектор нормально закритий (не пропускає струм). Якщо ж через ланцюг бази проходить струм, то перехід емітер - колектор відкривається і при наявності напруги між колектором і емітером в цьому ланцюзі починає протікати струм. Причому струм колектора в В разів більше струму бази В-коефіцієнт посилення транзистора). При зміні струму бази (вхід) змінюється і струм колектора (вихід). Причому відносно невеликі зміни значення струму бази викликають у багато разів перевищують їх значення струму колектора (у десятки разів). На цьому ефекті заснована дія схем підсилювачів на транзисторах. Залежно від способу включення сигналу (вхід) і навантаження (вихід) розрізняють схеми включення транзистора із загальним емітером (рис. 7.4, а), загальною базою (рис. 7.4, б) і загальним колектором (рис. 7.4, в). Найбільш часто застосовують схему з загальним емітером (ОЕ), так як вона дає найбільше посилення потужності сигналу. При такому включенні транзистора посилюється як струм, так і напруга сигналу. У схемах із загальною базою (ПРО) посилюється тільки напруга сигналу, посилення струму тут відсутня, так як практично струм сигналу і струм навантаження в цьому випадку один і той же. У схемі із загальним колектором (ОК) має місце посилення струму, а посилення напруги тут відсутня, так як напруга на вході і виході практично одна і та ж (напруга на виході нижче напруги на вході на значення падіння напруги на переході емітер - база). У пристроях автоматики і телемеханіки найбільш часто транзистори працюють в режимі перемикання, тобто в процесі роботи вони знаходяться в двох станах: сигнал на вході відсутній і транзистор закритий; на вході є сигнал достатнього рівня і транзистор повністю відкритий (насичений). Вище були розглянуті схеми включення транзистора типу р-n-р. Широко застосовують також транзистори (типу n-р-n), полярність включення яких є зворотною (рис, 7.4, г). Це обумовлено іншим чергуванням типів провідності в структурі монокристала. У іншому принцип їх дії аналогічний транзисторам типу р-n-р. Для повного відкриття (насичення) транзистора типу р-n-р до бази необхідно докласти негативне (по відношенню до емітеру) напругу, а для насичення транзистора типу n-р-n до бази необхідно докласти позитивну (щодо емітера) напругу 0,3-0,8 В. Широке застосування знаходять так звані інтегральні мікросхеми (ІМС), які являють собою цілі функціональні схеми, зосереджені в одному монокристалі. Інтегральна мікросхема складається з безлічі компонентів (резисторів, конденсаторів, діодів, транзисторів і т. п.), виготовлених в єдиному технологічному циклі. Застосування ІМС дозволяє значно зменшити розміри і масу електронних пристроїв, спростити проектування та монтаж, підвищити надійність дії системи автоматики і телемеханіки, знизити їх вартість і споживання електроенергії. Напівпровідникова ІМС звичайно являє собою кристал кремнію, в поверхневому шарі якого за спеціальною технологією сформовані області, еквівалентні елементам електричної схеми (резистори, конденсатори, діодів, транзисторів) і з’єднання між ними. Застосування інтегральних схем дозволяє в тисячі разів підвищити щільність розміщення елементів схеми, в одному корпусі розміщується ціла функціональна схема. Використання стандартних схем в стандартних корпусах зменшує вартість системи автоматики із-за спрощення побудови схем, виконання міжелементних з’єднувачів і зниження затрат ручної праці. Ці переваги ІМС найбільш ефективно реалізуються в системах, в яких застосовується велика кількість стандартних схем, наприклад в обчислювальних машинах. Промисловість випускає стандартні ІМС, призначені для виконання різноманітних функцій. Це аналогові (виконують безперервне перетворення сигналу) і цифрові (логічні) схеми. До них відносяться підсилювачі, генератори, стабілізатори, перетворювачі, детектори, тригери, дешифратори і т. д. |
62 хв. |
|
ІV. Закріплення нового матеріалу:
|
10-15 хв. |
|
V. Аналіз роботи на уроці. Повідомлення домашнього завдання: 1) Вивчити матеріал за літературою Л1. ст. 113-118 + конспект 2) Закріпити знання щодо безконтактних елементів систем ЗАТ. 3) Володіти технічною мовою. |
8 хв. |
|
Примітка: з метою оперативного закріплення нового матеріалу відповіді на запитання студенти отримують протягом викладання нового матеріалу, але в декілька етапів. |
Викладач С.В. Половко