Основы функционирования приборов, аппаратов, устройств и их элементов

Структурный анализ приборов, аппаратов, устройств и их элементов. Понятия и определения (механизм, кинематическая пара, степень подвижности). Рациональная структура механизма.

Кинематический анализ механизмов. Понятия и определения (кинематические параметры, кинематические характеристики). Основные виды движения звеньев.Мгновенные центры скоростей и ускорений.

Динамических анализ механизмов.Методы определения реакций в кинематических парах.Расчет сил и моментов трения. Коэффициенты полезного действия механизмов. Определение закона движения механизма. Колебательные процессы.

Литература: [1], [2], [3].

1. Основы функционирования преобразовательной и аналоговой электронной техники, импульсных электронных устройств, цифровой электроники, микросхем и интегральных схем, электрических машин и электроприводов.

Основы функционирования преобразовательной и аналоговой электронной техники

В лекции рассматривается полупроводниковые приборы и их электропроводность; вольт-амперная характеристика p-n- перехода. Приводится информация об устройстве, параметрах и областях применения полупроводниковых плоскостных и точечных диодов.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые по­лупроводниковые вещества – гер­маний, кремний, селен – и слож­ные полупроводниковые материа­лы – арсенид галлия, фосфид гал­лия и др. Ле­гирующие элементы III группы Периодической таблицы Менделеева создают дырочную электропровод­ность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы V группы – электронную электропровод­ность и называются донорными примесями.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости на­зывают p-n- переходом. Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полу­проводников, один из которых имеет электронную, а другой– дырочную электро­проводность. При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. В ре­зультате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий вы­соким электрическим сопротивлением, – так называемый запираю­щий слой. Толщина запирающего слоя обычно не пре­вышает нескольких микрометров. В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. Закрытый р-n- переход обладает электрической емкостью,которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической про­ницаемости запирающего слоя.

Свойства чистых и легированных полупроводников и характе­ристики p-n- перехода широко используют в двухэлектродных полу­проводниковых приборах – полупроводниковых ди­одах.В более сложных приборах – транзисторах и тиристорах– используют электрические характеристики, определяемые взаимо­действием нескольких р-n- переходов.

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-n- переходом и двумя выводами, к котором используются свойства перехода. Все полупро­водниковые диоды подразделяют на два класса: точечные и плоскост­ные.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение, которое нормируется при определенном прямом токе; максимально допустимый прямой ток диода; максимально допустимое обратное напряжение диода;об­ратный ток диода, который нормируется при определенном обратном напряжении.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит дли стабилизации напряжения. Туннельный диод – полупроводнико­вый диод на основе вырожденного полу­проводника, в котором туннельный эффект приводит кпоявлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Обращенный диод – диод на основе полупроводника с критической концент­рацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряже­нии вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом на­пряжении. Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости р-n- перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Биполярным транзистором – называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, при­годный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носи­телей заряда двух типов: электронов и дырок.В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два р-п- перехода. В соответствии с чередованием участков с различ­ной электропроводностью все би­полярные транзисторы подраз­деляют на два типа: р-п-р и п-р-п. Транзисторы принято под­разделять на группы по диапа­зонам используемых частот и мощностей.

Для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используют так называе­мые h -параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмит­тером.

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в ко­тором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через ко­торый основные носители ухо­дят из канала, – стоком. Элект­род, служащий для регулиро­вания поперечного сечения ка­нала, называют затвором. Поскольку в полевых тран­зисторах ток определяется дви­жением носителей только одно­го знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение но­сителей заряда одного знака.

Полевой транзистор с управляющим переходом – полевой транзистор, у ко­торого затвор электрически отделен от каналазакрытым р-п- переходом. Полевой транзистор с изолированным затвором– полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора между металлическими зат­ворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой ди­электрика, обычно оксид кремния, а p-n- переход отсутствует.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п- переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицатель­ным дифференциальным сопротивлением и который используется для переклю­чении. Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров служит кремний. Простейшим тиристором с двумя выводами является ди­одный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно тре­тий (управляющий) электрод. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-n- переходами. Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие вып­рямительными свойствами, нашли широкое применение в управля­емых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т. е. изменении электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения. Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обус­ловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора.

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор свну­тренним фотоэффектом, имеющий одинэлектронно-дырочный переход и двавывода. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов. Фотодиоды изготовляют из германия, кремния, селена, арсенида галлия, арсенида индия, сульфида кадмия и других полупроводниковых материалов.

Далее формулируется понятие «Микроэлектроника», рассматриваются особенности конструктивного выполнения интегральных микросхем. Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным на базе микроэлектроники.Микро­электроникой называют новое научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюр­ных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энер­гией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлек­троники является элементная интеграция–объединение в одном сложном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. д.). Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой(ИМС).

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (рези­сторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологиче­ском процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

В отличие от полупроводниковых диодов и транзисторов инте­гральные микросхемы представляют собой не отдельные элементы, а целые функциональные устройства, предназначенные для преобра­зования электрических сигналов. В зависимости от назначения в ин­тегральной микросхеме могут нормироваться разные параметры, характеризующие функциональное устройство в целом. По назна­чению все интегральные микросхемы подразделяются на два класса: линейно-импульсные и логические.

Важным преимуществом интегральных ми­кросхем является их высокая надежность. Другим не менее важным преимуществом являются их малые массогабаритные параметры. Интегральные микросхемы обладают высоким быстродействием, так как их малые размеры обеспечивают снижение таких паразит­ных параметров, как межэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводников. Достоинством интегральных микросхем является также их вы­сокая экономичность.

Принцип действия резисторов основан на использовании свойств мате­риалов оказывать сопротивление проходящему электрическому току. По назначению резисторы могут быть общего назначения, преци­зионные, высокочастотные, высокомегаомные, высоковольтные и спе­циальные, а по эксплуатационным характеристикам – термо- и влагостой­кими, вибро- и ударопрочными, высоконадежными, повышенной «высот­ности».

По характеру изменения сопро­тивления резисторы подразделяют на постоянные и переменные (регулируемые), в т. ч. подстроечные. Постоянные ре­зисторы не изменяют сопротивление при сборке, настройке и эксплуатации аппаратуры, а переменные и под­строечные имеют для этой цели спе­циальное устройство (контактный ползун, укрепляемый на поворотной или червячной оси).

Принцип действия конденсатора основан на способности накапливать на обкладках электрический заряд при приложении к ним разности потенциалов. По назначению конденсаторы делят на контурные, блокировочные, разделительные, фильтровые, термокомпенсирующие и подстроенные, а по характеру изменения емкости – на постоянные, переменные и полупеременные. Материал диэлектрика конденсаторов должен обеспечивать их высокие электрические, конструктивные и технологические показатели: широкий диапазон номинальных емкостей, а также частотные и температурные области применения, электрическую прочность, небольшие массу и габариты, высокую надежность, возможность автоматизации изготовления и низкую стоимость при массовом выпуске. Конденсаторы могут быть пакетной, трубчатой, дисковой, литой секционированной, рулонной и многопластинчатой конструкций.