Diody półprzewodnikowe
Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową i napięciową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach ze względu na ich małą pojemność między elektrodową. Złącze PN w diodach ostrzowych powstaje na granicy zetknięcia germanu typu N lub krzemu typu P z ostrzem metalowym. Ostrze jest zwykle wykonane z wolframu lub złota.
Diody prostownicze dużej mocy mają obudowę metalową. Katoda jest zwykle połączona z obudową. Obudowa diod dużej mocy jest przystosowana do przykręcenia diody do radiatora (chłodnicy), natomiast anoda jest wyprowadzona grubym, giętkim przewodem.
Diody Zenera są diodami krzemowymi i stosuje się je w układach stabilizacji napięcia. Stabilizują one napięcie prądu stałego przy dużych zmianach prądu płynącego przez nie. Diody Zenera (stabilizatory) produkowane w Polsce stabilizują napięcie w granicach 3.l...38 V przy dopuszczalnym prądzie przewodzenia 20 mA...3 A (zależnie od typu diody). Najważniejszymi parametrami diod półprzewodnikowych są:
1) dopuszczalne napięcie wsteczne,
2) dopuszczalny prąd przewodzenia,
3) prąd wsteczny,
4) pojemność diody,

Diody stabilizacyjne

Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p⁺- n⁺ o mechanizmie Zenera lub/i lawinowym W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.

maksymalny prąd stabilizacji wynosi

I_MAX= P_MAX/U_ZK

punkt pracy stabilizowanego prądu:

rezystancję dynamiczną - stosunek przyrostu napięcia na diodzie do przyrostu prądu płynącego przez diodę dla liniowej części charakterystyki:

rezystancję statyczną (stałoprądową) - stosunek napięcia na diodzie do płynącego przez nią prądu w danym punkcie

Stosunek obu rezystancji nazywany jest współczynnikiem nieliniowości diody stabilizacyjnej

Dobrze stabilizuje dioda o >100.

Wpływ temperatury otoczenia na stabilizowaną wartość napięcia U_Z jest określany temperaturowym współczynnikiem napięcia Zenera

[%/K]

gdzie: U_Z - średnia wartość zmian U_Z,   dopuszczalny zakres temperatury pracy diody.

U_S = (i_Z + I_L)R_o + u_Z

Stąd mamy równanie prostej obciążenia diody stabilizacyjne

Współczynnik stabilizacji. Wyraża on stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywołanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie.

Ogólnie mówiąc tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne
Składa się on z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd nazwa tych tranzystorów - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową bazą.

Działanie tranzystorów wyjaśnimy na przykładzie tranzystora NPN. Weźmy pod uwagę tranzystor NPN włączony w układ przedstawiony na rysunku:

Tranzystor jest wzmacniaczem prądu bazy - mały prąd bazy powoduje przepływ dużego prądu kolektora, małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora. Wzmocnieniem prądowym tranzystora β nazywamy iloraz zmian prądu kolektora i zmian prądu bazy β =ΔIc/ΔI_B .Wzmocnienie prądowe β współczesnych tranzystorów krzemowych ma wartość kilkaset, a nawet kilka tysięcy.
Tranzystor polowy złączowy

Tranzystor polowy złączowy, określany też skrótem FET stanowi płytka półprzewodnika, w której zostały wyt­worzone trzy warstwy: warstwa środkowa o określonym typie przewod­nictwa (może być typu p albo typu n) oraz dwie warstwy zewnętrzne o typie prze­wod­nictwa przeciwnym w stosunku do typu przewodnictwa warstwy środkowej.

Warstwa środkowa nazywa się kanałem. Na obu końcach tej wars­twy znajdują się doprowadzenia, dzięki którym można przepuszczać prąd elektryczny przez kanał. Warstwy zewnętrzne także posiadają doprowadzenia elektryczne. Doprowadzenia warstw zewnętrznych są ze sobą połączone. Ich wspólne wyprowadzenie jest nazywane bramką i oznaczane jest literą G (od słowa „gate”).

Niezależność natężenia prądu drenu od napięcia między źródłem a drenem dla wyższych wartości tego napięcia jest zaletą tranzystora polowego, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym niezależność prądu kolektora od napięcia pomiędzy kolek­torem i emiterem..

TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ

Ze względu na typ przewodnictwa kanału wyróżnia się tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p. Natomiast ze względu na różnice w sposobie uzyskiwania właściwości sterujących kanału wyróżnia się:

- tranzystory normalnie wyłączone (ang. normally off) inaczej z kanałem wzbogacanym,

- tranzystory normalnie włączone (ang. normally on) inaczej z kanałem zubożanym.

Tranzystor mocy IGBT

Opracowano tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT, którego używa się obecnie w większości nowych urządzeń energoelektronicznych.

Tranzystory IGBT mają moce sięgające kilkuset kilowatów. Częstotliwość łączeń dochodzi do 20 kHz, maksymalne wartości napięć blokowania wynoszą około 3 kV a prądy znamionowe osiągają tysiące amperów. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora MOSFET - łatwość sterowania poprzez zmianę potencjału izolowanej bramki. Niestety wadą tego tranzystora jest występujący dość duży spadek napięcia na przewodzącym złączu w stanie przewodzenia - około 2,5 V. Jednak dzięki pracy przy wysokiej częstotliwości straty mocy IGBT są mniejsze niż w klasycznym tranzystorze bipolarnym.

Wzmacniacze operacyjne cechy charakterystyczne:

-bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym

-wzmacniają prąd stały,

-odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (ozn-) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (ozn + ),

-dużą rezystancję wejściową (MΩ),

-małą rezystancję wyjściową (Ω).

Podział wzmacniaczy ze wzgl na przeznacznie

-ogólnego przeznaczenia,

-szerokopasmowe,

-stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy,

-do zastosowań specjalnych.

Idealny wzm operacyjny:

-nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego

-nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości;

-nieskończenie dużą impedancję wejściową

-impedancję wyjściową równą zeru;

-napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym

-wzmocnienie idealne różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego;

-niezależność parametrów od temperatury.

Zastosowanie:

-układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,

-wzmacniaczach logarytmicznych,

-generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,

-filtrach,

-detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,

-układach próbkujących z pamięcią.

WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY FAZĘ SYGNAŁU WEJŚIOWEGO

WZMACNIACZ NIEODWRACAJĄCY

Sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego.

WTÓRNIK NAPIĘCIOWY

Wtórnik napięciowy uzyskuje się we wzmacniaczu nieodwracającym przy zastosowaniu rezystora o nieskończonej wartości. Wartość rezystancji R powinna być równa wartości rezystancji źródła sygnału wejściowego. Taki układ charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją wejściową i małą rezystancją wyjściową.

WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY

Wzmacniacz odejmujący jest często zwany również różnicowym.

Realizuje on odejmowanie napięć wejściowych w odpowiednim stosunku zależnym od wartości rezystorów znajdujących się w układzie.

jeśli
;

WZMACNIACZ SUMUJĄCy

WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY - INTEGRATOR

Integrator otrzymuje się poprzez włączenie kondensatora C w obwód sprzężenia zwrotnego.

Napięcie wyjściowe wyraża się zależnością:

Zastosowanie układów całkujących.

- w generatorach, do kształtowania przebiegu liniowego, trójkątnego i piłokształtnego,

- w filtrach,

- w układach wyznaczania wartości średniej.

WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY

Wzmacniacz różniczkujący uzyskuje się przez zastąpienie rezystora, włączonego na wejściu odwracającego wzmacniacza operacyjnego, kondensatorem C

Przerzutnik Schmitta Wzmacniacze operacyjne mogą być wykorzystywane do budowy układów przerzutnikowych. Przekształcenie wzmacniacza na przerzutnik bistabilny polega na wprowadzeniu pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego

Jednym z najważniejszych przyrządów póprzewodnikowych w dziedzinie elementów przełączających średnich i dużych jest tyrystor.

Tyrystor ( zwany także sterowaną diodą krzemową), składa się z czterech warstw półprzewodnika PNPN

Trzy wyprowadzone na zewnątrz końcówki są dołączone do trzech warstw półprzewodnika: ( anoda A do skrajnej warstwy P₁, katoda K do skrajnej warstwy N₂ oraz trzecia końcówka, zwana bramką G, do wewnętrznej warstwy P₂. Taka struktura czterowarstwowa może być uważana za połączenie dwóch tranzystorów NPN i PNP

Ze względu na załączanie tyrystora jedną z ważniejszych charakterystyk jest charakterystyka napięciowo-prądowa obwodu bramki U_FG = f(I_fg), nazy­wana też charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania).

1.Obszar nieprzełączania, czyli obszar zawierający takie wartości napięć i prą­dów bramkowych, które nie spowodują przełączenia żadnego egzemplarza tyrystora danego typu. Napięcie ograniczające ten obszar U_GD nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I_GD — prądem nieprzełączającym bramki.

2.Obszar możliwych przełączeń, w którym można uzyskać przełączenie wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego typu. Obszar ten jest ograniczony napięciem przełączającym bramki U_GT i prądem przełączającym bramki I_GD.

3.Obszar pewnych przełączeń, który wyznacza wartości napięć i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu. Obszar ten jest ograniczony szczytowym napięciem przewodzenia bramki Ufgm, szczy­towym prądem przewodzenia bramki Ifgm i szczytowymi stratami mocy w bramce Pgm.

4.Obszar możliwych uszkodzeń obwodu bramkowego, który znajduje się poza krzywą szczytowych wartości strat mocy w bramce. Takie warunki pracy obwodu bramki powinny być wyeliminowane.

Tyrystory stosuje się najczęściej w obwodach, w których płyną duże prądy i występują dość znaczne napięcia, np. w elektroenergetyce, trakcji elektrycz­nej, napędach elektrycznych, w układach regulacji o dużych mocach itd. Przy tego typu zastosowaniach duże znaczenie mają wartości graniczne prądów, napięć i mocy, których nie należy przekraczać podczas eksploatacji. Zależą one w znacznym stopniu od warunków pracy tyrystora, a więc temperatury otoczenia, warunków chłodzenia, kształtu i czasu trwania przebiegów napię­cia i prądu itp.

P/P_max = (π - α + 1/2sin2α)/ π

Zmieniając kąt zapłonu a w granicach od 0° do 180^o można zmieniać moc wydzielaną na odbiorniku w zakresie 0 - 50 % mocy maksymalnej.

Przekształtnik jak sama nazwa wskazuje służy do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej wartości średniej napięcia.

Regulacji napięcia wyjściowego możemy dokonywać w następujące sposoby:

1.Przez zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu

t_z = const., t_w = const, t_z + t_w = var, f = 1/(t_z + t_w) = var.

2. Przez zmianę czasu trwania impulsów i stałej częstotliwości
t_z = var, t_w = const, t_z + t_w = const, f = 1/(t_z + t_w) = const.

3.Szerokości impulsów t_z są niezmienne, zaś zmienia się odstęp między nimi,
tj. czas przerw (wyłączenia) t_w

t_Z = const, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

4.Zmieniana szerokość impulsu t_Z i przerwy t_W

t_Z = var, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

FUNKCJE LOGICZNE I FUNKTORY LOGICZNE

Istotą techniki cyfrowej jest wytwarzanie cyfrowych sygnałów wyjściowych jako odpowiedzi na cyfrowe sygnały wejściowe.

Typowymi zadaniami układów cyfrowych jest pobranie pewnych liczb binarnych, ich wyświetlenie, wydrukowanie lub wydziurkowanie jako znaków dziesiętnych. We wszystkich tych zadaniach sygnały (stany) wyjściowe są zdeterminowanymi funkcjami sygnałów (stanów) wejściowych. Wszystkie zadania mogą być wykonane za pomocą urządzeń zwanych bramkami. Funkcję, której zmienne lub ona sama przyjmuje wartości ze zbioru {0, 1} nazywamy funkcją boolowską (logiczną, przełączającą). Natomiast układ przetwarzający logiczne sygnały wejściowe na logiczne sygnały wyjściowe nazywa się układem logicznym.

Przy projektowaniu dwustanowych (0 - stan niski, 1 - stan wysoki) układów cyfrowych posługujemy się algebrą Boole'a.

Funktory układów logicznych

Bramkami nazywane są kombinacyjne układy cyfrowe, realizujące proste funkcje logiczne jednej lub wielu zmiennych logicznych. Zmienną logiczną jest sygnał elektryczny występujący na wejściach i wyjściach tych układów.BRAMKA I (AND)Bramka ta jest układem o dwu lub większej liczbie wejść, realizującym funkcję iloczynu logicznego zmiennych wejściowych

BRAMKA LUB (OR)

Bramka ta jest układem o dwu lub większej liczbie wejść, realizującym funkcję sumy logicznej zmiennych wejściowych.Wyjście bramki OR (LUB) jest w stanie wysokim, jeżeli któreś z wejść (lub oba) jest w stanie wysokim.

BRAMKA NIE (NOT) - INWERTORCzęsto potrzebujemy zmienić stan logiczny na przeciwny, nazywa się to również negowaniem stanu logicznego. Jest to funkcja inwertora, „bramki” o jednym wejściu

C

R₁

R₂

U_wy

U_we

I₁

I

U_we

C

R₂

R₁

U_wy

I_c

I

A

B

F

A

F

B

F

A

---