Интегральные микросхемы (ИМС)

Усложнение электронных устройств, в которых количество элементов достигает сотен тысяч, вызвало:

1) снижение надежности;

2) увеличение габаритов и массы;

3) рост потребляемой энергии;

4) повышение стоимости.

Создание новых изделий перспективно на основе элементной интеграции, т. е. объединения в одном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов). Полученный в результате объединения сложный элемент называют интегральными микросхемами (ИМС).

ИМC − это электронное изделие с высокой плотностью упаковки электрически соединенных элементов, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала (ГОСТ 17021-75).

Плотность упаковки (показатель миниатюризации) − количество элементов в единице объема (до 10⁵ эл/см³).

Степень интеграции − это количество элементов, входящих в ИМС; до 10 элементов − первая степень; от − 2 до 100 − вторая; до 101 – третья. Современная ИМС − до шестой степени.

Основные достоинства ИМС: высокая надежность, малые размеры и масса, экономичность, быстродействие.

Недостаток: небольшая выходная мощность.

По технологии ИМС делят на:

1) гибридно-пленочные, выполняемые в виде пленок, наносимых на поверхность из диэлектрика (керамика, стекло, пластмасса) и навесных бескорпусных активных элементов (транзисторов, дросселей, конденсаторов), прикрепленных к основанию. С помощью масок и трафаретов на подложке формируются пассивные элементы. Плотность упаковки − 150 эл/см³, степень интеграции − первая, вторая. Обеспечивается высокая точность параметров;

2) полупроводниковые, в которых все элементы формируются в объеме или на поверхности пластинки полупроводника. Изготовление осуществляется в несколько этапов с помощью фотолитографии, диффузии, ионного легирования. Плотность упаковки − 10⁵ эл/см³; степень интеграции – шестая.

По назначению ИМС делят на:

1) линейно-импульсные, в которых обеспечивается приблизительная пропорциональность между входными и выходными величинами (пример, усилитель);

2) логические ИМС, в которых выходное напряжение зависит от наличия или отсутствия напряжения на различных входах устройства. Обозначения ИМС состоит из четырех элементов: первый элемент − обозначает конструкторско-технологическое исполнение: 1, 5, 7 − полупроводниковые, 2, 4, 6, 8 − гибридные, 3 − прочие; второй элемент (две или три цифры) − порядковый номер разработки; третий элемент − две буквы − функциональное назначение; четвертый − порядковый номер разработки ИМС по функциональному признаку.

Пример, КI40УД14А

К − ИМС для широкого применения,

I – полупроводниковая

40 − порядковый номер серии;

УД − операционный усилитель;

14 − порядковый номер операционного усилителя;

А − коэффициент усиления определенного значения.

Лекция 14 Выпрямители

Общие сведения

Выпрямителем называют устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Подразделяются на:

1) неуправляемые, у которых выпрямленное напряжение неизменно по величине, т.е. нерегулируемо;

2) управляемые − напряжение можно плавно регулировать в широком диапазоне (например, для питания устройств в электроприводе).

Структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства приведена на рис. 14.1.

Рис.14.1. Структурная схема неуправляемого выпряимтеля

Назначение элементов структурной схемы:

- трансформатор согласует напряжение сети U_ceт. с напряжением нагрузкиU_н;

- диодная (вентильная) группа служит для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;

- фильтры – для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения,

- стабилизатор – для поддержания напряжения на заданном уровне.

Вентильная группа состоит из полупроводниковых диодов.

Управляемый выпрямитель не содержит стабилизатора, т. к. постоян­ство U_н обеспечивается за счет устройства управления и регулиро­вания, с помощью которого вентиль находится в открытом состоянии. В качестве вентилей используются тиристоры.

При расчете выпрямителей считают вентили и трансформаторы идеаль­ными: R_пр = 0, R_обр = ∞ (для вентилей).I_x = 0, P_x = 0 (для трансформаторов). При расчете выпрямительных уст­ройств исходными данными являются средние значения U_н.ср и I_н.ср, действующие напряжения сети U₁ и U₂.

14.2. Однополупериодный однофазный выпрямитель (рис.14.2)

Рис.14.2.1.

Рис.14.1..

При положительном потенциале на аноде VD открыт, протекает ток iв, при обратной полярности напряжения U₂ диод VD закрыт, ток iв = 0.

Ток и напряжение нагрузки i_н , U_н – пульсирующие (выпрямленные)

Среднее значение выпрямленного напряжения: U_н._{ср .}

,

где U₂ − действующее значение вторичного напряжения трансформатора.

Отсюда: максимальное обратное напряжение диода:

Прямой ток вентиля:

I_пр = I_н.ср.

По расчетным значениям I_пр и U_обр.max выбирают вентили, чтобы каталожные I_пр, U_обр.max были больше или равны расчетным.

Расчетная мощность трансформатора

S_T = (S₁ + S₂)/2 ≈ S₂ = U₂I₂ = 2,22U_н.ср 1,57I_н.ср ≈ 3,5P_н

Коэффициент пульсаций − отношение амплитуды 1-ой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянная составляющая)

р = U_н(1)/U_н.ср = π/2 = 1,57.

Недостатки схемы:

1) низкий коэффициент использования трансформатора

K_T = S_T/P_н = 3,5

из-за намагничивания сердечника постоянной составляющей тока;

2) низкие коэффициенты использования вентилей

3) большой коэффициент пульсаций р.

Данную схему применяют для питания цепей малой мощности и в (электроннолучевых трубках).

14.3. Однофазный мостовой выпрямитель (рис.14.3)

Рис.14.3. Схема однофазного мостового выпрямителя (а) и временные диаграммы

При положительном U₂ (рис.14.3,а) к анодам VD1, VD3 приложен положительный потенциал − они открыты, значит, протекает ток iв₁ = iв₃ в цепи Т, VD1, R_н, VD3, T . При изменении полярности − VD1,VD2 закрываются, а открываются VD2, VD4. К закрытым диодам приложено обратное напряжение U_обр.max = U_2max.

U₂ = 1,11U_н.ср

Максимальное обратное напряжение:

Ток через диоды протекает 1/2 периода

I_пр = I_н.ср/2

Его максимальное значение

I_в.max = I_2m = 1,57I_н.ср

Мощность трансформатара:

S_т =S₁ = S₂ = U₂I₂ = 1,23P_нагр.

Коэффициент пульсации р для выпрямителей ( исключая однополупериодную схему) рассчитывают по эмпирической формуле:

где m – число фаз выпрямителя – m = nb (n – число фаз сети; b- число тактов прохождения тока по вторичной обмотке трансформатора в течении периода).

Достоинства:

1) лучше используются вентили K_u =1,57;

2) меньше расчет­ная мощность трансформатора К_т =1,23;

3) меньше пульсации p = 0,67.

Используется для установок малой и средней мощности.

14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора (рис.14.4)

Рис.14.4.

Напряжения вторичных обмоток трансформатора U₂₁, U₂₂ сдвинуты по фазе относительно средней точки на 180°. Если потенциал анода VD1 положительный, то он открыт,а VD2 – закрыт. При изменении полярности VD1 – закрывается, VD2 – открывается. В нагрузке ток i_н имеет одинаковое направление в оба полупериода.. К закрытому диоду приложено

U_обр.max = 2U_2m

1,11U_н._ср.;

I_вмах = I_2m = 1,57 I_н._ср.

Мощность трансформатора:

S₁ = U₁I₁ = 1, 23P_н; S₂ = 2U₂I₂ = 1,74P_н; S_T = 1,48P_н,

Коэффициент пульсации:

p=0,67

Недостаток: плохо используется 2-ая обмотка трансформатора (работает лишь одна половина).

Применяется для устройств малой мощности.

14.5. Трехфазный однополупериодный выпрямитель (рис.14.6).

Преимущества перед однофазными:

1) меньше пульсация выпрямленного напряжения;

2) лучше используется мощность трансформатора.

3) более высокое U_н.ср используют для установок большой мощности.

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

Рис.14.5.

Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, а вто­ричная − только Y (звездой).

потенциал на аноде: интервал 1-2 − открыт VD1; интервал 2-3 − открыт VD2; интервал 3-4 – VD3 и т.д.

U₂ = 0,855U_н._ср,

где U₂ − действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В закрытом состоянии потенциал анода вентиля определяется напряже­нием своей фазы, а потенциал катода напряжением работающей фазы.

Поэтому в непроводящий период между анодом А и катодом К приложено линейное напря­жение:

I_н.ср = 0,827I_2max; I_б.max = I_2max = 1,21I_н.ср; I₂ = 0,58I_н.ср.

S₁ = 3U₁I₁ = 1,21P_н; S₂ = 3U₂I₂ = 1,48P_н; S_T = 0,5(S₁ + S₂) = 1,35P_н

Коэффициент пульсаций p = 0,25.

Недостаток: завышенное сечение трансформатора для уменьшения тока намагничивания. (В работе всегда одна фаза и созданный поток замыкается по кожуху, вызывая нагрев).

14.6. Трехфазный мостовой выпрямитель (Ларионова) – рис.14.6.

Различают катодную группу вентилей – VD1, VD3, VD5 и анодная группу вентилей – VD2, VD4,VD6.

В работе, в открытом состоянии находятся два диода (один из анодной, другой из катодной групп). Из группы VD1, VD3, VD5 открыт тот, у которого наиболее высокий потенциал на аноде, а из группы VD2, VD4,VD6 у которого наиболее низкий потенциал на катоде:

Интервал 1−2 − открыты VD1 и VD4.

Интервал 2−3 − открыты VD1 и VD6 и т. д.

За период напряжения питания происходит 6 переключений вентилей (6 тактов). Напряжение нагрузки определяется разностью потенциалов точек к и m, т. е. линейным напряжением вторичной обмотки транс­форматора: U_н.max = U_2max= , U_н.ср= 1,35U₂; U₂ = 0,74U_н.ср,

где U₂ – линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Каждый вентиль открыт 1/3 периода, поэтому

I_пр = I_н.ср/3;

Рис..14.6.

Обратное напряжение вентиля

Мощность трансформатора:

S_T = S₁ = S₂ = =1,045U_н.ср = 1,045P_нагр

Коэффициент пульсации p = 0,057.

Схема нашла самое широкое применение для установок большой мощности т. к. K₁ = 1,045; K_u =1,045; K_T = 1,045 (хорошо используются вентили и трансформатор)