Контрольная работа по "Основам электроники"

                                                           Задание 1

1.Начертите "слепую" схему структурного изображения  полу -проводникового диода с  р-n переходом и подключенным к нему источником внешнего напряжения.

Рисунок 1- Структурное изображение полупроводникового  диода.

2. Нанесите на схему заданный носитель заряда с указанием направления его перемещения.
3. Обозначьте на рисунке проводимость обеих областей диода (р или n).
4. Укажите полярность источника питания, соответствующую заданному перемещению носителя заряда.
5. Ответьте, в каком направлении включен р-n переход (в прямом или обратном) диода.
6. Изобразите схему включения диода с использованием его условного обозначения.
7. Приведите часть вольтамперной характеристики, соответствующей полученному включению диода для двух разных температур.

                          

Вариант№2: Неосновные носители заряда «+», направление перемещения носителей заряда слева направо

 

                                         Решение :                      

  1)Неосновными носителями заряда являются «дырки», направление их перемещения слева направо, следовательно получим p-n переход, включенный в прямом направлении, так как «дырки», имеющие положительный заряд, будут двигаться в ту область, где подключен отрицательный полюс источника, а электроны,имеющие отрицательный заряд, в область где подключен положительный полюс источника (рис.2).

2)В соответствии с включением p-n перехода в прямом направлении, приведём часть соответствующей вольт-амперной характеристики для двух разных температур (рис.3):

При повышении температуры усиливается  генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей  и проводимость растёт. Как видно  из рисунка, при повышении температуры, прямой ток возрастает.

 

                                                             

                                       

 

 

Рис.2 - Структурное изображение полупроводникового  диода с р-n переходом и источником питания. Схема включения.

 

 

                                             

Рис.3- вольт-амперная характеристика, в соответствии с прямым включением диода, для двух разных температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2

Описать принцип действия, внутреннею структуру, условное графическое  обозначение, ВАХ, область применение электронного прибора.

                                                         Вариант№2

                 IGBT – биполярный транзистор с изолированным затвором

 

      Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком

     Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 1а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+ -слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обьединенной области эпитаксиального n–-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.1. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

 

Усилительные  свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной , которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП транзисторами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ВАХ характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 2

Рис. 2. Семейство выходных вольт-амперных характеристик IGBT-транзистора

 

На рис.3 приведено  условно-графическое обозначение IGBT.

                                                

                                                              

Рис. 3. Условное обозначение IGBT Рис. 3.1. Схема соединения транзисторов в

                                                                                       единой структуре IGBT    

 

 

Основное  применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом  транспорте.

IGBT применяют  при работе с высокими напряжениями (>1000 В), высокой температурой (>100 °C) и высокой выходной мощностью (>5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота <50 кГц).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание  3

Произвести расчет выпрямителя, собранного на полупроводниковых диодах, который предполагается использовать для питания постоянным током  потребителя мощностью Р   при  напряжении Uo. Схема выпрямителя, тип диода и его параметры указаны в таблице вариантов, С учетом исходных данных и произведённого расчета изобразите схему полупроводникового выпрямителя и опишите его принцип действия.

 

Таблица 1 - Исходные данные для задания 3

Последняя цифра шифра учащегося	Ро , Вт	Uо , В	Схема выпрямителя	Тип диода	Параметры диода
					Iдоп , А	Uобр , В
2	300	20	ДВ(м)	Д305	6	50

    

ДВ(м) - однофазный двухполупериодный  мостовой выпрямитель;

 

                                   Решение:

1.Определяем ток потребителя  по формуле :

                      

2.Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий  полупериод для двухполупериодной  схемы: 

                                                    

 

3.Для двухполупериодного  выпрямителя должны выполняться условия:

                 

                                                       и

В данном случае первое условие  выполняется так как 50В>31.4В, т.е.   ,

Второе условие не выполняется т.к. 6А<7.5, т.е.

 

4.Для того, чтобы выполнялось  условие    необходимо параллельно соединить по 2 диода, тогда: А>7.5А т.е.

 

 

 

       

 

 

5.Схема выпрямителя:

Рис.1.Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя.

 

 

На рис, 1 изображена схема  однофазного мостового выпрямителя  с активной нагрузкой Rн. На вход выпрямителя  — первичную обмотку трансформатора — подано переменное напряжение Ui = Um1 sin wt. К выходу выпрямителя подключена нагрузка — резистор Rн напряжение на котором должно быть постоянным.

 

Напряжение на вторичной  обмотке трансформатора u2, так же как u1, изменяется по синусоидальному  закону:

 

где К—коэффициент трансформации трансформатора.

 

 

В пределах 0 < wt <. π, 2π < wt < Зπ и т. д. при положительном  напряжении u2 (полярность u2 > 0 показана на рис. 1,  знаками «плюс» и «минус» без скобок) к диодам V1,V1-1 и V3,V3-1  приложено прямое напряжение, и они открыты, к диодам( V2,V2-1) и (V4,V4-1) приложено обратное напряжение, и они закрыты.

 Ток проходит по  контуру w2 —( V1,V1-1)  — Rн — (V3,V3-1).

 

 

В пределах π < ωt < 2π, Зπ < ωt < 4π и т. д. и2 < 0 (полярность u2 < 0 показана на рис.1 в скобках), прямое напряжение приложено к диодам  и ( V2,V2-1) и   (V4,V4-1) а обратное — к диодам( V1,V1-1)    и(V3,V3-1)  , и ток будет протекать по контуру ω2—( V2,V2-1) — Rн — (V4,V4-1).

Ток i через нагрузку и  при u2 > 0, и при u2 < 0 протекает в одном и том же направлении Значит, выпрямитель преобразует переменное напряжение u1, поданное на вход, в напряжение u на выходе, только одного знака.

Рис2. временные диаграммы токов и напряжений в схеме выпрямителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       Задание 4

Выполнить графоаналитический  расчет транзисторного усилителя на биполярном  транзисторе,   включенном  в режиме  усиления  по  схеме  «общий  эмиттер».   

  Последовательность выполнения задания 4:

1. Начертить  схему  усилительного  каскада  на  заданном  транзисторе. 
2. Указать  назначение  элементов.
3. Перечертить  выходные  характеристики  транзистора.
4. Построить  нагрузочную  прямую  по  постоянному  току.
5. Определить   значения  коллекторного  тока  и  напряжения   в  режиме  покоя  I ко,  U кэо.
6. По  входной  характеристике  определить  величину  напряжения  смещения  Uбэо
7. Используя  входную  характеристику,  определить  и  зарисовать  возможные  для  входной  цепи  сигналы  Uвх~  и  Iвх~. 
8. Используя  выходные  характеристики,  определить  и  зарисовать  возможные   для   выходной  цепи  сигналы  Uвых~  и  Iвых~.
9. Определить  коэффициент  усиления  VT  по  току  h21э » b  по  выходным  характеристикам.
10. Описать принцип эмиттерной температурной стабилизации. Рассчитать  цепочку  эмиттерной  температурной  стабилизации  R э,  С э.
11. Рассчитать  сопротивления  делителя  напряжения  R1,  R2.
12. Объяснить,  как изменится  сигнал  на  выходе  усилителя  при   изменении параметра элемента схемы (согласно варианту по таблице 4).

 

            Таблица 1– Исходные данные для расчета транзисторного усилителя 

Нижняя частота  усиливаемого  диапазона  частот, Гц	200
Питание схемы  осуществляется  от  источника  постоянного  напряжения, Е к, В	40
Коллекторная  нагрузка -  резистор,  R к, Ом	1000
Ток  базы  в  режиме  покоя, I б о, мА	1,5
Объяснить изменение  параметров схемы при …	¯R2

Форма  входного  сигнала   -  синусоидальная.

Применяется  эмиттерная  температурная  стабилизация. 

Для  подачи  и  снятия  сигнала  используются   разделительные  конденсаторы  Ср1 и  Ср2.   

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             

                                                    

 

 

 

                                                           Решение

1 Схема усилительного каскада  на  заданном  транзисторе.

                                                                                                

                                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1  -Схема включения однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе

2. Назначение  элементов  в  схеме

VT - биполярный  транзистор  p-n-p  типа,  включен по  схеме «общий  эмиттер»: 

входной  сигнал  поступает на  базу  относительно  эмиттера; 

выходной  сигнал  снимается с коллектора  относительно  эмиттера.

VT  работает  в усилительном  режиме  класса «А».

R1, R2 -  делитель  напряжения  для подачи  Uсм    от  Епит    на  базу  транзистора,  что  обеспечит  режим  работы  VT  класса  «А».

Rк – коллекторная   нагрузка   VT1.

Rэ,Cэ -  цепочка эмиттерной  температурной стабилизации.

Е пит  -  источник  питания

Ср1 – разделительный  конденсатор,  разделяет усилитель и источник  сигнала по  постоянному току  и соединяет по  переменному.

Ср2 – разделительный  конденсатор,  разделяет  усилитель  и  вход следующего  каскада   аналогично  Ср1.

3  Построение  нагрузочной   прямой по выходной ВАХ схемы

ведётся  по  2-м  точкам,  с  использованием  уравнения  динамического  режима  выходной 

цепи  транзистора:

                                                                 Uкэ = Епит – Iк ×Rк;