Контрольная работа по «Электротехнике и электронике»

    

Министерство образования и  науки РФ

 

Кубанский институт информзащиты

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Электротехника  и электроника»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Богачёв С.Ю.

 

Проверила:

Черникова Г.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Краснодар, 2012 

Содержание

 

1	Электрическая цепь содержащая r и С....................................................	3
2	Принцип действия биполярного транзистора  с общим эмиттером............	6
3	Триггеры...................................................................................................	11

 

 

 

 

 

 

1. Электрическая цепь содержащая  r и С

 

В общем случае электрическая  цепь переменного тока может содержать  резистивные, индуктивные и емкостные  элементы, параметрами которых соответственно являются сопротивление r, индуктивность L и емкость С. Анализ и расчет таких цепей значительно сложней, чем цепей постоянного тока. В цепях постоянного тока индуктивные и емкостные элементы проявляют себя только в моменты включения, отключения цепи или изменения ее параметров, когда изменяется ток и появляется ЭДС самоиндукции е = Ldi/dt в индуктивном элементе и напряжение на емкостном элементе.

иС =	1	∫idt
	С

 

В установившемся режиме ток  в цепях постоянного тока не изменяется и ЭДС самоиндукции равна нулю, а напряжение на емкости и_С соответствует   какому-то  постоянному значению.

В цепях переменного тока происходит непрерывное изменение  напряжения и тока, в результате чего возникает изменяющаяся во времени  ЭДС самоиндукции е и напряжение на емкости и_С.

Таким образом, режим работы цепи переменного тока определяется не только сопротивлением r, но индуктивностью L и емкостью С. Прежде чем разбирать общий случай цепи с r, L и С, остановимся на частных случаях.

Рассмотрим цепь, содержащую только резистивный элемент с  активным сопротивлением r.Под активным сопротивлением понимают сопротивление проводников переменному току. Вследствие вытеснения тока к поверхности проводника сопротивление проводника переменному току больше, чем постоянному. При малых частотах (несколько десятков и сотен герц) увеличение сопротивления незначительно и активное сопротивление определяется по той же формуле, что и сопротивление постоянному току. При частотах в сотни тысяч и миллионы герц активное сопротивление может оказаться намного больше сопротивления постоянному току и для его определения используют соответствующие формулы.

Мгновенное значение тока в цепи с активным сопротивлением (рис. 1, а) определяется по закону Ома:

i = u/r.

Выразив u черезамплитудное значение

u = U_m sin ωt,

Рис 1. Электрическая цепь, содержащая резистивный элемент с активным сопротивлениемr (а), ее векторная диаграмма (б) и графики мгновенных значений u, i, p (в)

получим

(2)

i =	Um sin ωt	= Im sin ωt,
	r

 

где

I_m = U_m /r.

Разделив левую и правую части на √2, получим закон Ома для цепи с активным сопротивлением, выраженный через действующие значения напряжения и тока.

I = U/r.

Из выражения (2) следует, что ток и напряжение совпадают по фазе. Векторная диаграмма цепи изображена на рис. 1, б, а график мгновенных значений тока и напряжения — на рис. 1,в.

Мгновенная мощность цепи равна произведению мгновенных значений напряжения и тока:

р = ui = U_m sin ωt • I_m sin ωt.

Из графика мгновенной мощности (рис. 1, в) видно, что мощность изменяется от нуля до Р_m ,оставаясь все время положительной. Это означает, что в цепи с активным сопротивлением энергия все время поступает из сети к приемнику r и необратимо преобразуется в нем в теплоту, которая нагревает сопротивление и рассеивается в окружающей среде.

Среднее значение мощности за период

	1 T	T		1 Т	T		UmIm Т	T	1 - cos 2ωt dt = UmIm . 2 2
Pср =		∫	pdt =		∫	UmIm sin2 ωt dt =		∫
		0			0			0

 

Выразив амплитудные значения напряжения и тока через действующие  значения, получим

P_ср = UI.

После подстановки  U = Ir будем иметь

(3)

P_ср = UI = I²r = Р.

Из выражения (3) вытекает, что среднее значение мощности есть электрическая мощность, которая преобразуется в активном сопротивлении в теплоту. Такую мощность называют активной и обозначают символом Р.

К приемникам активной мощности относятся также электрические  двигатели, в которых электрическая  мощность преобразуется в механическую мощность, развиваемую двигателем на валу.

Активная мощность измеряется ваттметром, включенным соответствующим  образом в электрическую цепь переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Принцип действия биполярного транзистора с общим эмиттером

 

Транзистором называется трехэлектродный  полупроводниковый прибор, структура которого содержит два электронно-дырочных перехода. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с иной электропроводностью. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором.

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей  зарядов в базу, а коллектор–экстракцию (сбор) носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (рис.1.1). Так, если коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рассмотрим в первом приближении  физические процессы, протекающие в  транзисторе в активном режиме, и  постараемся оценить, каким образом  эти процессы позволяют усиливать  электрические сигналы.

Для простоты анализа будем  использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис. 3.4. Эта модель предполагает, что p-n- переходы транзистора являются плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x , что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора (см. рис. 3.1) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения uЭБ и uКБ - см. рис. 3.4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения uЭБ <0 и uКБ >0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Как уже отмечалось в п. 3.1, из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу - см. рис. 3.4. Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе uЭБ, экспоненциально возрастая с увеличением ч uЭБч . Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями - дырками. Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов, движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи iЭ и iК , направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора iК, являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением uЭБ и не зависят от выходного напряжения uКБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.

 

Схема простейшего усилительного  каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 3.5. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 3.4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напряжения uЭБ- , а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор RК. Переменное напряжение uЭБ- наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую iК– , которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине uЭБ- . При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую uКБ- = iК– RК. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении RК может значительно превосходить величину входного переменного напряжения uЭБ- (uКБ- >>uЭБ- ). Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу ( iЭ » iК ).

Сущность физических процессов, протекающих в транзисторе, таких, как инжекция, экстракция, диффузия, рекомбинация, рассмотрена выше (см. разд. 1 и 2 ). Вместе с тем, в транзисторе проявления этих эффектов имеют определенную специфику, связанную, в первую очередь, с взаимодействием переходов. В этой связи рассмотрим процессы, протекающие в транзисторе применительно к каждому из режимов его работы.

Активному режиму работы транзистора, иногда называемому также нормальным активным режимом, соответствуют открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода. На рис. 3.6 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей заряда в активном режиме. Поскольку основные физические процессы, определяющие протекание в структуре сквозного потока электронов, достаточно подробно описаны в п. 3.1, остановимся лишь на тех моментах, которые были опущены при рассмотрении работы транзистора в первом приближении. Прежде всего, отметим тот факт, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода. На рис. 3.6, наряду с показанным на рис. 3.4 сквозным потоком электронов, показаны и другие потоки носителей, протекающие в структуре в активном режиме. В частности, показан встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Два направленных навстречу друг другу потока (электронов и дырок) отражают эффект рекомбинации в базе. Электронный поток создается электронами, которые инжектируются из эмиттера, но не доходят до коллекторного перехода (как электроны, создающие сквозной поток), а рекомбинируют с дырками в базе. Дырочный поток создается дырками, поступающими из внешней цепи в базу для восполнения потери дырок из-за их рекомбинации с электронами. Указанные потоки создают во внешних цепях эмиттера и базы дополнительные составляющие токов. На рис. 3.6 также показаны потоки неосновных носителей заряда, создающие собственный тепловой ток обратносмещенного коллекторного перехода (поток электронов, движущихся из базы в коллектор, и поток дырок, движущихся из коллектора в базу). Каждый из рассмотренных на рис. 3.6 потоков вносит свой вклад в токи, протекающие во внешних цепях эмиттера, коллектора и базы. При этом следует подчеркнуть, что сквозной поток электронов является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Все остальные потоки в усилении сигнала не участвуют, и поэтому являются побочными. Для того, чтобы транзистор имел высокие усилительные свойства, необходимо, чтобы побочные потоки были как можно слабее по сравнению с сильным полезным сквозным потоком. Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток базы вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком электронов. С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и iБ<< iЭ, а iЭ » iК.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом - эмиттерный переход. В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. На рис. 3.7 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей, протекающие в режиме насыщения. Как видно из рисунка, в этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах.

 

 

 

3. Триггеры

 

Устройство, имеющее  два устойчивых состояния, называют триггером. Он имеет два выхода, один из них называют прямым, а другой — инверсным. Потенциалы на них взаимно  инвертированы: лог. 1 на одном выходе соответствует лог. 0 на другом. С  приходом переключающих (запускающих) сигналов переход триггера из одного состояния в другое происходит лавинообразно, и потенциалы на выходах меняются на противоположные.

В интервале между  переключающими сигналами состояние  триггера не меняется, т. е. триггер "запоминает" поступление сигналов, отражая это величиной потенциала на выходе. Это дает возможность использовать его как элемент памяти.

При лавинообразных переключениях на выходе триггера формируются  прямоугольные импульсы с крутыми  фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, из синусоидального).

При двух последовательных переключениях триггера на выходе формируется  один импульс, т.е. триггер можно  использовать как делитель частоты  переключающих сигналов с коэффициентом, равным двум.

Триггеры можно  разделить на не тактируемые и  тактируемые. Не тактируемый (асинхронный) триггер может менять свое состояние

Рис.1

переключающими  сигналами в любое время. Тактируемый (синхронный) триггер переключается синхронно с поступлением специального тактирующего импульса. Эти и другие типы триггеров, показанные в таблице классификации, подробно рассмотрены далее.

Промышленность  выпускает разнообразные типы триггеров в интегральном исполнении. Кроме того, они могут быть выполнены на цифровых интегральных микросхемах, операционных усилителях и на транзисторах. Рис.1.