Вторая часть лекционного курса "Физическая электроника" - "Электронные приборы" посвящена основам функционирования вакуумных, твердотельных и газовых базовых электронных приборов. Курс состоит из лекций и лабораторного практикума.
Введение
Понятие электронных приборов. Разделение электронных приборов по общности физических процессов, лежащих в их основе. Основные функции. Классификация электронных приборов. Понятие характеристик электронных приборов.
Раздел 1. Вакуумные приборы
1.1. Вакуумные диоды
Диод – нелинейный двухполюсник. Эмиссия электронов с катода. Распределение потенциала в плоском диоде. ВАХ идеального вакуумного диода. Закон степени 3/2. Получение закона степени 3/2 из системы гидродинамических уравнений. Получение закона степени 3/2 с помощью метода анализа размерностей. ВАХ реального диода. Параметры диода – внутреннее сопротивление, крутизна характеристики, коэффициент усиления. Ток насыщения. Нагрузочная прямая. Мощность рассеяния на аноде. Параметры предельно допустимого режима.
1.2. Электронные лампы с сеткой.
Распределение потенциала и электрического поля в триоде. Управление током в триоде.
Эквивалентный диод. Действующее напряжение. Закон степени 3/2 для триода. Прямая и обратная проницаемость.
Семейства статических анодных и анодно-сеточных характеристик. Параметры триода. Внутреннее уравнение лампы. Семейство реальных характеристик. Островной эффект. Сеточные токи при положительном и отрицательном сеточном напряжении. Коэффициент токораспределения. Сеточные характеристики.
Динамические характеристики и параметры триода. Межэлектродные емкости. Предельно допустимая мощность. Режимы работы триода. Усилительный каскад. Схема с автоматическим смещением.
Недостатки триодов. Многосеточные лампы. Динатронный эффект. Лучевой тетрод. Работа тетрода. Пентод. Рабочий режим пентодов. Схемы включения. Эквивалентные схемы триодов и многосеточных ламп.
1.3. Электронно-лучевые приборы.
Устройство электронно-лучевой трубки. Электронный прожектор. Электростатические фокусирующие системы. Магнитостатические фокусирующие системы. Отклоняющие системы. Статическая чувствительность электронно-лучевых трубок. Искажение изображения. Развертка. Наблюдение переменных напряжений с помощью осциллографа. ЭЛТ-монитор.
1.4. Элементы вакуумной микроэлектроники.
Автоэлектронная эмиссия. Прохождение электронов через потенциальный барьер. Закон Фаулера-Нордгейма. Прямые Фаулера-Нордгейма. Тонкопленочные автоэмиссионные катоды, их изготовление. Экспериментальное определение их основных параметров. Конструкция вакуумного микродиода. Микротриод как элемент усилительной схемы. Сканирующий туннельный микроскоп. МАС. Другие применения автоэлектронной эмиссии.
Раздел 2. Полупроводниковые приборы.
2.1. Полупроводниковые диоды.
Типы полупроводников. Зонные диаграммы. Диффузионный и дрейфовый токи. р-n переход.
Распределение концентрации носителей заряда. ВАХ идеального диода. Формула Шокли. Тепловой ток.
ВАХ реального диода (ток рекомбинации, влияние сопротивления базы, ток генерации, ток утечки).
Емкости p-n перехода. Пробой p-n перехода. Влияние температуры на ВАХ диода.
Рабочий режим диода.
Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока.
Переходные процессы в p-n переходе; использование диодов в качестве переключателей.
Туннельный и обращенный диоды.
2.2. Транзисторы.
2.2.1. Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия. Структура транзистора. Токи и распределения носителей. Режимы работы. Схемы включения. Физические параметры транзисторов. Статические характеристики. Работа транзистора на высоких частотах. Работа транзисторов в импульсном (ключевом) режиме. Преобразование частоты полупроводниковыми приборами.
2.2.2. Полевые транзисторы. Устройство, принцип действия. Статические управляющие и выходные характеристики. Параметры. Схемы включения. Схемы питания транзистора.
2.2.3. МОП-транзисторы. Общий принцип работы. Статические характеристики.
2.3. Операционные усилители.
Принцип действия ОУ. Линейная модель ОУ. Основные параметры и характеристики. Идеальный операционный усилитель.
Вот ты на радостях идешь к чайнику с мыслью хлопнуть кружку чая с баранкой в честь только что собранного устройства, но оно вдруг перестало работать. При этом видимых причин нет: конденсаторы целы, транзисторы вроде бы не дымятся, диоды тоже. Но при этом устройство не работает. Как быть? Можно воспользоваться вот таким простым алгоритмом поиска неисправности:
Монтажные "сопли"
"Сопли" -- это небольшие капли припоя, которые создают короткое замыкание между двумя разными дорожками на печатной плате. Во время домашней сборки такие неприятные капли припоя приводят к тому, что устройство либо просто не запускается, либо работает неправильно, либо, что хуже всего, после включения тут же сгорают дорогие детали.
Чтобы не допускать таких неприятных последствий перед включением собранного прибора следует внимательно проверить печатную плату на наличие замыканий между дорожками.
Приборы для диагностики устройств
Минимальный набор приборов для наладки и ремонта радиолюбительских конструкций состоит из , мультиметра и . В некоторых случаях можно обойтись только мультиметром. Но для более удобной отладки устройств желательно все же иметь осциллограф .
Для простых устройств такого набора хватает за глаза. Что касается, к примеру, отладки различных усилителей, то для их правильной настройки желательно иметь ещё и генератор сигналов .
Правильное питание -- залог успеха
Прежде, чем делать какие-либо выводы и работоспособности деталей, входящих в твою радиолюбительскую конструкцию, следует проверить правильное ли питание подаётся. Иной раз окажется, что проблема была в неверном питании. Если начинать проверку устройства с его питания, то можно сэкономить много времени на отладке, если причина была в нём.
Проверка диодов
Если в схеме есть диоды, то их следует один за одним внимательно проверить. Если они внешне целые, то следует выпаять один вывод диода и проверить его с помощью мультиметра, включенного в режим измерения сопротивления. При этом если полярность клем мультиметра совпадает с полярностью выводов диода (+ клемма к аноду, а - клемма к катоду), то мультиметр покажет приблизительно 500-600 Ом, а в обратном включении (- клемма к аноду, а + клемма к катоду) не покажет вообще ничего, будто там обрыв. Если же мультиметр показывает что-либо другое, то скорее всего диод вышел из строя и негоден.
Проверка конденсаторов и резисторов
Сгоревшие резисторы видно сразу -- они чернеют. Поэтому найти сгоревший резистор достаточно легко. Что касается кондесаторов, то их проверка сложней. Во-первых, как и в случае с резисторами, надо првоести их осмотр. Если они внешне не вызывают подозрений, тогда ихследует выпаять и проверить с помощью LRC-метра. Обычно выходят из строя электролитические конденсаторы. При этом они раздуваются, когда сгорают. Другая причина их выхода из строя -- время. Поэтому в старых приборах часто заменяют все электролитические конденсаторы.
Проверка транзисторов
Транзисторы проверяются аналогично диодам. Сначала проводится внешний осмотр и если он не вызывает подозрений, то транзистор проверяется с помощью мультиметра. Только клемы мультиметра включаются поочерёдно между базой-коллектором, базой-эммитером и коллектором-эммитером. Кстати, у транзисторов бывает интересная неисправность. При проверке транзистор в норме, но когда включается в схему и на неё подается питание, то через некоторое время схема перестает работать. Оказывается, что транзистор нагрелся и в нагретом состоянии ведёт себя как поломанный. Такой транзистор следует заменить.
Электронные прибор, составляющие основу электроники, можно классифицировать по двум признакам:
По принципу работы;
По функциональному назначению.
По принципу работы электронные приборы могут быть разделены на четыре класса:
1. Электронные приборы – поток электронов движется между электродами, находящимися в высоком вакууме, т.е. в среде столь разряженного газа, что движущиеся электроны не испытывают столкновений с частицами газа.
2. Газоразрядные приборы – движение электронов в межэлектродном пространстве происходит в условиях столкновения их с частицами газа (с молекулами и атомами), что при определенных условиях приводит к ионизации газа, резко изменяющего свойства прибора. Такие приборы называются ионными .
3. Электрохимические приборы – принцип действия основан на явлениях, связанных с происхождением электрического тока в жидких телах с ионной проводимостью. Такие приборы работают на основе явлений, изучаемых электрохимией и электроникой – хемотроникой .
4. Полупроводниковые приборы – принцип действия основан на электронных явлениях в веществах, имеющих кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Связанные между собой атомы располагаются строго определенным способом, что образует кристаллическую решетку твердого тела.
По функциональному назначению электронные приборы могут быть разделены на три группы:
1. Электропреобразовательные – это приборы, в которых электрическая энергия одного вида (например, постоянного тока) преобразуется в электрическую энергию другого вида (например, переменного тока различной формы). К ним относятся выпрямительные, усилительные, переключающие, стабилизирующие приборы и т.п.
2. Электроосветительные – это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения. К ним можно отвести электронно-световые индикаторы, ЭЛТ, знаковые индикаторы, лазеры, в т.ч. светоизлучающие диоды и т.д.
3. Фотоэлектрические – это приборы, в которых энергия светового излучения преобразуется в электрическую энергию. Это фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, видеокамеры и т.п.
Общим для всех электронных приборов является то, что в них осуществляется преобразование энергий различных видов, поэтому приборы, имеющие существенные отличия в принципе действия , применяются по одному и тому же функциональному назначению, т.е. для одной и той же цели и обладают близкими свойствами.
Электроника.
Лекционный курс.
Введение.
Темпы развития многих областей науки и техники в значительной степени связаны с развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства автоматики, вычислительной или измерительной техники.
В каждой из многочисленных отраслей современной техники электроника дает толчок качественно новому этапу развития, производит подлинную техническую революцию.
Электроника как наука (принято называть физической электроникой ) занимается изучением электронных явлений и процессов, связанных с изменением концентрации и перемещением заряженных частиц в различных средах (в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах) под воздействием различных условий (температура, давление, электрические и магнитные поля, излучения различного вида, в т. ч. и световые).
Задача электроники как отрасли техники (техническая электроника ) – разработка, производство и эксплуатация электронных приборов, устройств и систем самого различного назначения.
Эффективность электронной техники обусловлена высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов, важнейшими из которых являются электронные приборы.
С помощью электронных приборов удается преобразовывать неэлектрические виды энергий в электрическую и наоборот.
Исключительно велика роль электроники при создании средств вычислительной техники, в том числе высоко-эффективных электронных вычислительных машин (ЭВМ) и персональных компьютеров (ПК).
Классификация электронных приборов.
Электронные прибор, составляющие основу электроники, можно классифицировать по двум признакам:
По принципу работы;
По функциональному назначению.
По принципу работы электронные приборы могут быть разделены на четыре класса:
1. Электронные приборы – поток электронов движется между электродами, находящимися в высоком вакууме, т.е. в среде столь разряженного газа, что движущиеся электроны не испытывают столкновений с частицами газа.
2. Газоразрядные приборы – движение электронов в межэлектродном пространстве происходит в условиях столкновения их с частицами газа (с молекулами и атомами), что при определенных условиях приводит к ионизации газа, резко изменяющего свойства прибора. Такие приборы называются ионными .
3. Электрохимические приборы – принцип действия основан на явлениях, связанных с происхождением электрического тока в жидких телах с ионной проводимостью. Такие приборы работают на основе явлений, изучаемых электрохимией и электроникой – хемотроникой .
4. Полупроводниковые приборы – принцип действия основан на электронных явлениях в веществах, имеющих кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Связанные между собой атомы располагаются строго определенным способом, что образует кристаллическую решетку твердого тела.
По функциональному назначению электронные приборы могут быть разделены на три группы:
1. Электропреобразовательные – это приборы, в которых электрическая энергия одного вида (например, постоянного тока) преобразуется в электрическую энергию другого вида (например, переменного тока различной формы). К ним относятся выпрямительные, усилительные, переключающие, стабилизирующие приборы и т.п.
2. Электроосветительные – это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения. К ним можно отвести электронно-световые индикаторы, ЭЛТ, знаковые индикаторы, лазеры, в т.ч. светоизлучающие диоды и т.д.
Основным качественным показателем электронных устройств является надежность их работы, которая определяется надежностью отдельных деталей и узлов.
Под надежностью понимается свойство системы (изделия), связанное с ее безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение заданных функций.
Безотказность определяет свойство системы (изделия) непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации.
Долговечность - это свойство изделия или системы длительно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации. Долговечность количественно оценивается техническим ресурсом, представляющим собой сумму интервалов времени безотказной работы за период эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния.
Ремонтопригодность - это свойство изделия или системы, характеризующее ее приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению отказов.
Отказом называется такая неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказы могут быть полными и частичными (условными), внезапными и постепенными, зависимыми и независимыми. Физический смысл внезапного отказа сводится к тому, что в результате скачкообразного изменения какого-либо параметра элемент схемы теряет свойства, необходимые для обеспечения нормальной работы. К полным отказам можно отнести отказы, связанные с полной потерей работоспособности прибора вследствие обрывов или коротких замыканий внутренних или внешних выводов, пробоя PN-перехода и т. д.
Причинами внезапных отказов могут быть конструктивные недоработки, скрытые производственные дефекты, нарушение правил эксплуатации и внешние воздействия, не свойственные нормальной эксплуатации (удары, вибрации, перегрев, повышенное напряжение и т. д.). Такие отказы чаще всего возникают в начальный период эксплуатации.
Постепенные отказы связаны с изменением параметров приборов (изделия) во времени и проявляются в виде выходов параметров за пределы норм, установленных в технических условиях. Постепенные отказы обусловлены несовершенством технологии или ее нарушением в процессе изготовления приборов.
Основная часть отказов полупроводниковых приборов происходит за счет постепенного ухудшения параметров, в основном вызванного изменением состояния поверхности полупроводников. Попадание влаги или кислорода на поверхность кристалла приводит к образованию проводящих каналов на поверхности полупроводника, что может вызвать увеличение обратного тока перехода и уменьшение коэффициента передачи тока транзистора. Вследствие этого приборы, выполненные по планарной технологии, имеют более высокую стабильность параметров, так как у них поверхность полупроводников покрыта защитной окисной пленкой, нежели приборы, выполненные по сплавной технологии.
В электровакуумных приборах такие отказы могут возникать из-за ухудшения вакуума лампы и уменьшения эмиссии катода во времени. Постепенные отказы могут быть частичными или условными , где изменение параметров прибора в одних случаях могут вызвать отказ работы схемы, в других - только частичное изменение параметров. За критерий условных отказов принимают изменение основных параметров (для транзисторов это обычно изменение коэффициента передачи и обратного тока коллектора) в определенное число раз сверх норм, предусмотренных техническими условиями. Правильно рассчитанная схема допускает значительные изменения параметров прибора, поэтому условно отказавшие приборы могут не вызвать отказа ее работы.
Для количественной оценки надежности используют понятие интенсивность (опасность) отказов, под которой понимают отношение числа отказов приборов в единицу времени к числу исправно работающих приборов. Интенсивность отказов
где n - число отказавших приборов за время t в часах; N -общее число работающих приборов. Так как обычно n N, то
Для оценки надежности электронных приборов (устройств) пользуются понятием: вероятность безотказной работы p за определенный интервал времени эксплуатации
Рис. 10.5. Типовая кривая интенсивности отказов
Типовая кривая интенсивности отказов приведена на рис. 10.5. Эту кривую можно разделить на три участка. Участок 1 характеризуется повышенной интенсивностью внезапных отказов, которые являются следствием низкого качества изготовления, выявившегося с началом эксплуатации изделия. Участок 2 соответствует нормальному сроку эксплуатации. Интенсивность отказов здесь уменьшается, так как период приработки закончился, а износ приборов еще не наступил. Участок 3 характеризуется новым нарастанием интенсивности отказов, являющихся результатом старения или износа элементов (например, потерей эмиссии катода электровакуумного прибора). Для большинства типов полупроводниковых приборов не удалось установить наличие области износа, что объясняется их большим сроком службы.
