Фізичні властивості напівпровідників 4 страница

Розрахунок ВАХ ідеального діода наводиться в табл.3.1.

Таблиця 3. Результати розрахунку ВАХ ідеального діода

, В	-0,25	-0,15	-0,1	-0,07	-0,06	-0,04	-0,02	0,05
	20,0 мкА	19,9 мкА	19,6 мкА	19,1 мкА	18,0 мкА	15,7 мкА	10,7 мкА	167 мкА
, В	0,1	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,2	0,25
	916 мкА	2,95 мА	4,34 мА	6,39 мА	9,39 мА	13,8 мА	43,8 мА	300 мА

Особливістю розрахунку прямої гілки ВАХ є детальне обчислення струмів доокола заданої робочої точки В. В прикладі обрано п’ять значень прямої напруги (0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17)В. Така деталізація потрібна для ретельної графічної побудови ВАХ саме доокола робочої точки, що дасть змогу точно розрахувати диференціальний опір за графіком та теоретично і порівняти отримані результати. На одному графіку складно відобразити значення струмів від 167 мкА до 300 мА. Тому доцільно навести два графіки прямої гілки ВАХ – «грубий» та «точний».На цих графіках необхідно нанести ВАХ прямої гілки реального діода, розраховуючи його за формулою

.

В цій формулі незалежною змінною є струм діода . Мистецтво розрахунку полягає в тому, щоб визначити такі значення струму, щоб вони відповідали прямим напруга доокола робочої точки В.

Розрахунок прямої гілки ВАХ реального діода наводиться в табл.3.2.

Таблиця 3.2. Пряма гілка ВАХ реального діода

, мА			2,5	3,5		6,2
, В	0,104	0,124	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,2	0,25

«Грубий» графік будують обравши масштаб прямого струму по осі ординат (для даного прикладу) в межах від 0 до 40 мА. «Точний» графік (фрагмент ВАХ доокола робочої точки) будують в більш зручному масштабі для п’яти значень прямої напруги довкола робочої точки.

Результати побудови представлені на рис.11.

З розрахунків і графіків можна визначити диференціальний опір ідеального і реального діодів в заданій робочій точці.

Ідеальний діод.

Теоретичне значення: . Для , В, мА, мкА маємо Ом.

За графіком: . Маємо Ом.

Значення диференціального опору визначені теоретично та за графіком практично співпадають (різниця близько 0,1 Ом), Різниця значень пояснюється квазілінійністю ВАХ в обраному інтервалі напруг.

Реальний діод.

Теоретичне значення: . Для , В, мА, мкА, Ом маємо

Ом.

За графіком: . Маємо Ом.

Опір ідеального та реального діода постійному струму в робочій точці визначається як .

Для ідеального діода: Ом.

Для реального діода: Ом.

а)

б)

Рис. 11. ВАХ переходу(а - «грубий», б – «точний» масштаби)

Висновок.

1. Значення диференціального опору та опору постійному струму залежать від положення робочої точки на ВАХ.

2. Диференціальний опір та опір постійному струму в робочій точці в інженерній практиці найчастіше всього визначаються за графіками ВАХ. Їх значення практично співпадають з розрахованими теоретично.

3. ВАХ реального діода проходить нижче ВАХ ідеального, тому що не вся зовнішня напруга прикладається до переходу, частина її падає на опорах та .

Задача 3.2.3.

Розрахувати найпростішусхему без фільтра для випрямлення синусоїдальної напруги з діючим значенням, використовуючи діоди Д226Б. Скласти і розрахувати випрямне коло, що дозволяє одержувати випрямлений струм (мА), використовуючи діоди Д226Б. Намалювати обидві схеми випрямлення.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [1] основної літератури. Задачі 7.91, 7.92, с.138-139.

Задача 3.2.4

Для стабілізації напруги на навантаженні використовують напівпровідниковий стабілітрон з напругою стабілізаціїU_ст, В. Визначити допущенні межі зміни напруги живлення, якщо максимальний струм стабілітрона I_ст.мах, мА, мінімальний струм стабілітрона I_ст.мin,мА,опір навантаження R_н, кОм, опір обмежувального резистора R_обм, кОм. Привести схему стабілізації. За довідником визначити тип стабілітрона.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [1] основної літератури. Задача 7.103, с.142

Задача 3.2.5

Стабілітрон підключений для стабілізації напруги до резистора R_н = 2 кОм. Знайти опір обмежувального резистора R_обм, якщо напруга джерела міняється в межах, знайдених у задачі 2.4. Визначити, чи буде забезпечена стабілізація у всьому діапазоні зміни Е. Значення U_ст , I_ст.min , I_ст.max узяти з умови задачі 2.4.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [1] основної літератури. Задача 7.105, с.143

ТРАНЗИСТОРИ

4.1. Приклади розв’язання задач розділу «Транзистори»

Задачі 4.3.1 і 4.3.2.

Умови задач беруться з розділу 8 „Біполярні транзистори” задачника [1] списку основної літератури. Номери задач вибираються індивідуально в залежності від номера варіанту РГР (див розділ 6 методичних вказівок).

Розв’язання.

Дані завдання детально розглянуті в [1] списку основної літератури і коментарів не потребують.

Задача 4.3.3

Потужний транзистор, що має тепловий опір між переходом і корпусом R_пк, К/Вт, повинний розсіювати потужність , Вт, при температурі навколишнього середовища Т_с, ⁰С. Для підвищення надійності температуру переходу вирішено обмежити Т_n, ⁰С. Між тепловідводом і корпусом транзистора міститься шайба та ізолююче силіконове змащення. Тепловий опір шайби R_тш , К/Вт, а силіконове змащення зменшує його приблизно на 40%. Визначити, яка повинна бути площа тепловідвода, якщо він необхідний. Вважати, что 1 см² металевої поверхні тепловідводу має тепловий опір 800 К/Вт.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [1] списку основної літератури. Задача 8.172, с.204-205.

Задачі 4.3.4 та 4.3.5

Умови задач наведені в розділі 6 методичних вказівок.

Розв’язання.

Дані завдання відносяться до теоретичних питань. Вони детально розглянуті в [2,3] списку основної літератури і коментарів не потребують.

Задача 4.3.6

Польовий транзистор з керувальним p-n переходом, який має I_{c max} мА, S_max, мА/В включений у підсилювальний каскад за схемою зі спільним витоком. Опір резистора навантаження R_н, кОм. Визначити коефіцієнт підсилення за напругою заслін-витік, якщо а) U_зв = -1 В; б)U_зв = -0,5 В;
в) U_зв = 0. Навести схему підсилювача.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [1] основної літератури. Задача 8.217, с.217

ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ

5.1. Приклади розв’язання задач розділу
«Електронні прилади»

Задача 5.4.1

Тріод працює в режимі, при якому крутість характеристики S, мА/В, внутрішній опір R_i, кОм, опір по постійному струму R₀, кОм. Визначити діючу напругу тріода, якщо потужність, що розсіюється анодом Р_а, Вт, і напруга сітки U_c, В.

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [2] списку основної літератури. С.43-44, 55-59.

Задача 5.4.2

Тріод працює в квазістатичному режимі з активним навантаженням в анодному колі. Дано сімейство статичних анодних характеристик тріода 6С3Б і значення В, кОм, E_c В, В. Необхідно:

a) побудувати анодну навантажувальну характеристику;

б) побудувати анодно-сіткову навантажувальну характеристику методом переносу;

в) на анодній навантажувальній характеристиці вказати робочу точку і робочу ділянку;

г) з графіку визначити значення І_ma, І_a0, І_{a max}, І_{a mіn}, U_a0, U_{a max}, U_{a mіn}, U_ma, U_mR;

д) визначити P₀, P_R~, h лампи;

е) для заданої робочої точки графічно визначити малосигнальні параметри S, R_і, μ в статичному режимі і робочі S_p, K_u при роботі тріода з навантаженням. Порівняти результати і зробити висновки

Розв’язання.

Дане завдання детально розглянуте в [2] списку основної літератури. С.64-70 та в [3] С.341-344.

Рис. 12. Схема підсилювача напруги на електровакуумному тріоді

Умова задачі стосується найпростішого підсилювача напруги на тріоді, в анодному колі якого ввімкнено резистивне навантаження , а в колі сітки – джерело синусоїдальних коливань (рис.12). За другим правилом Кіргофа для анодного кола можна записати:

.

Рівняння має дві змінні та . Для двох крайніх випадків маємо: , та , .

На сімействі вольт-амперних характеристик тріода 6С3Б, приведених на рис.13, відкладаємо точки на осі абсцис , на осі ординат . З умови задачі В, кОм. Тоді В, мА. Сполучивши ці точки отримаємо лінію навантаження, яка перетинає сімейство анодних характеристик при .

Лінія навантаження – це геометричне місце положення робочих точок анодного кола. Робоча точка визначає режим роботи кола на постійному струмі при заданих параметрах , , . При відсутності вхідного сигналу , коли є тільки зміщення сітки В, в робочій точці РТ0 можна визначити (див. рис.13) падіння напруги на лампі (постійну складову анодної напруги) В, постійну складову анодного струму мА, падіння напруги на резисторі В.

При наявності вхідного сигналу з амплітудою В напруга сітки змінюється від -0,5 до -9,5 В. Анодні характеристики з такими напругами сітки відсутні, тому робочі точки РТ1 та РТ2 на лінії навантаження визначаються як середини відповідного інтервалу значень (0… - 1) та ( - 9… - 10)В. При зміні напруги сітки в межах від - 0,5 В до – 9,5 В змінюється напруга на аноді та анодний струм. З анодних ВАХ (рис.13) визначимо РТ1: В, мА та РТ2 – В, мА.

Відповідно амплітуди змінних складових анодної напруги та анодного струму становлять:

, В,

, мА.

Лінія навантаження на сімействі анодно-сіткових ВАХ будується методом переносу. Кожна з робочих точок РТ0, РТ1, та РТ2 на анодних ВАХ визначається трьома параметрами (координатами) - , та . Ці параметри переносяться на анодно-сіткові ВАХ. Починати треба з нанесення координат точки РТ0 з анодної характеристики. На перетині ліній В та мА на сімействі анодно-сіткових характеристик утвориться дубль робочої точки РТ0. Складності в перенесенні виникають тоді, коли значення робочої точки не відповідає наявним сімейства анодно-сіткових ВАХ. Наприклад РТ0 має В при мА, а на сімействі є характеристики з параметрами В та В, або РТ2 має В при мА, а на сімействі є характеристики з параметрами В та В. Для РТ2 необхідно інтерполювати положення, вважаючи що для струму мА анодна напруга між цими характеристиками змінюється рівномірно, тобто ВАХ з В, 190 В,…..150 В еквідистантні. Сполучивши робочі точки на сімействі анодно-сіткових ВАХ отримуємо шукану навантажувальну ВАХ.

Рис. 13. ВАХ електровакуумного тріода 6С3Б

На анодних та анодно-сіткових ВАХ (рис.13) показані всі величини, які вимагає умова задачі. Змінна напруга на резисторі та на аноді знаходяться в протифазі, їх амплітуди . Необхідно звернути увагу, що зміна , відбувається синфазно з напругою , а - протифазно.

Коефіцієнт корисної дії підсилювача (анодного кола) визначається, як

, де - корисна потужність підсиленого вхідного сигналу, - потужність, яка підводиться від джерела .

, Вт

, Вт

%.

Низьке значення коефіцієнта корисної дії пояснюється тим, що для даного типу підсилювача обрано режим лінійного підсилення, тобто амплітуда вихідної змінної напруги на навантаженні повинна бути якомога більша амплітуди вхідного сигналу , а вихідний сигнал за формою повинен відповідати формі вхідного сигналу з мінімальними спотвореннями. В розглянутому пристрої такий режим підсилення носить назву «режим класу А» і характеризується значними витратими потужності джерела навіть при відсутності вхідного сигналу. ( , ).

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як і дорівнює .

Малосигнальні (диференціальні) параметри , і визначаємо в робочій точці за побудованими графіками на анодних або анодно-сіткових характеристиках.

На рис.13 параметри визначаються на анодних ВАХ.

Крутість анодно-сіткової характеристики в статичному режимі визначається як при . Через робочу точку проводиться вертикальна лінія ( В), яка перетинає дві анодні характеристики при В та В в точках та . в точці = 9,8 мА, в точці = 5 мА.

мА/В.

При роботі тріода з навантаженням крутість анодно-сіткової характеристики зменшується, що пояснюється реакцією анодного кола. Нехай негативний потенціал сітки зменшується, це призводить до зростання анодного струму і напруги на навантаженні , при цьому анодна напруга падає . При менших анодних напругах анодний струм буде меншим. Анодне коло протидіє змінам, які викликані зміною напруги на сітці, тобто керованість анодним струмом під дією погіршується.

при змінній .

При зміні напруги від – 6 В до – 4 В робоча точка по лінії навантаження переміщається з точки в точку . При цьому анодний струм змінюється від 6,6 мА (точка ) до 7,8 мА (точка ).

мА/В.

Диференціальний опір в робочій точці РТ0 визначаємо як: при . Визначення проводимо на анодній ВАХ при В.

При зміні анодної напруги від точки ( В) до точки ( В) змінюється від = 7,2 мА (точка ) до = 9,6 мА (точка ).

кОм.

Статичний коефіцієнт підсилення визначається як: при .