ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. Общие сведения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1. Общие сведения

В железнодорожной автоматике и телемеханике все более широкое распространение получают устройства, выполненные на бесконтактных элементах: диодах, тиристорах, транзисторах, магнитных элементах и др.

Рассмотрим принцип действия наиболее часто применяемых полупроводниковых элементов. Их действие основано на свойстве кристаллов и некоторых химических элементов резко изменять сопротивление (проводимость) в зависимости от действия внешних факторов и, прежде всего, от полярности и значения приложенного напряжения. Наибольшее распространение в качестве исходных материалов для полупроводниковых приборов получили германий и кремний, в меньшей степени селен. Кремниевые приборы обладают более широким температурным диапазоном и большим диапазоном рабочих напряжений, чем германиевые.

Полупроводниковый диод германиевый или кремниевый представляет собой элемент, сопротивление которого резко изменяется в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения. Если напряжение приложено в проводящем направлении — от анода к катоду, то сопротивление диода мало, и через него будет протекать ток, определяемый в основном сопротивлением нагрузки (на рис. 7.1, сопротивление нагрузки не показано).

Рис. 7.1. Условное обозначение и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

При обратной полярности приложенного напряжения сопротивление диода резко возрастает и составляет несколько сотен килоом. Падение напряжения на диоде в прямом направлении составляет 0,1—0,2 В для германиевых и 0,4—0,5 В для кремниевых диодов; обратный ток диодов, как правило, не превышает 1 мА. В полупроводниковой технике применяются большое число диодов различных типов, рассчитанных на прямой ток от нескольких миллиампер до нескольких десятков ампер и на обратное напряжение от нескольких десятков до сотен вольт. Так, для кремниевых диодов Д226А, Д226Б, Д226В, Д226Г, Д226Д прямой ток составляет 50—400 мА, а обратное напряжение 50— 400 В; диоды Д242 рассчитаны на прямой ток до 10 А. В случае превышения допустимых (паспортных) значений тока или напряжения диод может выйти из строя. При превышении прямого тока диод выходит из строя в основном вследствие перегрева, а при превышении обратного напряжения наступает пробой полупроводникового слоя.

Основными параметрами диодов являются максимальный выпрямленный ток, максимально допустимое напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток и предельная температура. Электрические параметры зависят от температуры, что присуще полупроводниковым материалам. В справочной литературе обычно приводятся параметры для температуры +25 °С.

Диоды применяются как выпрямительные и стабилизирующие элементы, в логических элементах, в цепях ограничения сигналов и в ряде других устройств автоматики.

Стабилитрон, называемый также опорным диодом, предназначен для работы в области пробоя. Он используется обычно в электрических схемах стабилизации напряжения (рис. 7.2). Нормальным (рабочим) напряжением для стабилитрона является обратное напряжение.

Рис. 7.2. Схема включения стабилитрона

При превышении напряжения питания по сравнению с напряжением пробоя стабилитрона VD последний пробивается, после чего напряжение на нем практически не изменяется. В случае увеличения напряжения питающей батареи избыток напряжения гасится на балластном резисторе Rб, а напряжение на нагрузке Rн, включенной параллельно стабилитрону, остается практически неизменным. При включении стабилитрона в прямом направлении он работает как обычный диод.

Промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на рабочие токи стабилизации от нескольких миллиампер до нескольких ампер и на напряжение от 3,3 до 180 В.

Стабисторы используют в устройствах автоматики в качестве элементов, обладающих малыми и стабильными напряжениями стабилизации. В отличие от стабилитронов они работают при прямом включении.

Тиристор (рис. 7.3), называемый также управляемым диодом, представляет собой четырехслойный монокристалл; кроме анода и катода, он имеет управляющий электрод. Нормально тиристор закрыт, т. е. не пропускает ток от анода к катоду при подключении к нему положительного напряжения. Открывается тиристор при пропускании по управляющей цепи (между управляющим электродом и катодом) небольшого тока управления.

Рис. 7.3. Условное обозначение тиристора

После этого тиристор работает как обычный кремниевый диод, т. е. ток в цепи анода практически определяется только нагрузкой, причем он остается открытым и после размыкания управляющей цепи, если между анодом и катодом сохраняется прямое напряжение. Падение напряжения на открытом тиристоре составляет примерно 1 В. Открытый тиристор не может быть закрыт изменением управляющего тока; для его закрытия необходимо прекратить ток в цепи анод — катод или сделать анод отрицательным по отношению к катоду или кратковременно замкнуть тиристор. Чем выше напряжение на аноде, тем меньший ток управления требуется для открытия тиристора.

При достаточно высоком напряжении на аноде тиристор может открыться самопроизвольно, без пропускания тока через управляющий электрод, т. е. теряется управляемость тиристора.

Промышленность выпускает тиристоры на различные рабочие токи и напряжения.

Динистор является переключающим диодом. Его вольт-амперная характеристика похожа на характеристику тиристора, но в отличие от последнего он не имеет управляющего электрода, поскольку как и обычный диод имеет только два вывода. Внешне он выглядит как обычный кремниевый диод. Так же, как и тиристор, включенный динистор можно выключить, сняв с него прямое напряжение или кратковременно изменив его на обратное.

Светодиод обладает способностью излучать свет при работе на прямой ветви вольт-амперной характеристики. Основными параметрами этого диода являются — сила света или мощность излучения, длина волны (или цвет) и диаграмма направленности излучения, т. е. распределением мощности излучения по углу отклонения от оси. Этот диод характеризуется также и обычными параметрами диодов: прямым напряжением, допустимым прямым током, допустимым обратным напряжением и т. д.

В качестве исходных материалов для изготовления светодиодов используют арсенид таллия и фосфид кремния. Размеры светодиодов не превышают 2—3 мм (в бескорпусном оформлении). При работе на прямой ветви такой диод напоминает светящуюся точку. На основе такой структуры изготовляют карбидо-кремниевые цифровые индикаторы. Индикатор имеет семь элементов, позволяющих при подаче прямого напряжения высвечивать 10 цифр — от 0 до 9. Включение той или иной цифры обеспечивается внешней коммутацией девяти выводов индикатора.

Светодиоды обладают высоким быстродействием и экономичностью. В устройствах железнодорожной автоматики их пока применяют ограниченно, тем не менее их следует признать перспективными, так как при прочих преимуществах они позволяют наглядно контролировать работу отдельных элементов схем.

Светодиод, соединенный с фототранзистором, образует так называемую оптронную пару (оптрон). Сигнал в оптроне передается с помощью изменения интенсивности излучения свето-диода с последующим восприятием этого излучения фототранзистором, коллекторный ток которого зависит от освещения базы. К преимуществу такого устройства можно отнести гальваническую развязку между входным и выходным сигналами, что является существенным для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.

Транзистор, или полупроводниковый триод, представляет собой трехслойный монокристалл, имеющий три вывода (электрода), которые называют эмиттером, коллектором и базой. Переходы эмиттер — база и коллектор — база проводят электрический ток в одном направлении — в сторону базового вывода, а в обратном направлении они представляют большое сопротивление, т. е. эти переходы аналогичны диодам. Переход эмиттер — коллектор нормально закрыт (не пропускает ток). Если же через цепь базы проходит ток, то переход эмиттер — коллектор открывается и при наличии напряжения между коллектором и эмиттером в этой цепи начинает протекать ток. Причем ток коллектора в В раз больше тока базы (В —коэффициент усиления транзистора). При изменении тока базы (вход) изменяется и ток коллектора (выход). Причем относительно небольшие изменения значения тока базы вызывают во много раз превышающие их значения тока коллектора (в десятки раз). На этом эффекте основано действие схем усилителей на транзисторах.

В зависимости от способа включения сигнала (вход) и нагрузки (выход) различают схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 7.4, а), общей базой (рис. 7.4, б) и общим коллектором (рис. 7.4, в).

Рис. 7.4. Схемы включения транзисторов

Наиболее часто применяют схему с общим эмиттером (ОЭ), так как она дает наибольшее усиление мощности сигнала. При таком включении транзистора усиливается как ток, так и напряжение сигнала. В схемах с общей базой (ОБ) усиливается только напряжение сигнала, усиление тока здесь отсутствует, так как практически ток сигнала и ток нагрузки в этом случае один и тот же. В схеме с общим коллектором (ОК) имеет место усиление тока, а усиление напряжения здесь отсутствует, так как напряжение на входе и выходе практически одно и то же (напряжение на выходе ниже напряжения на входе на значение падения напряжения на переходе эмиттер — база).

В устройствах автоматики и телемеханики наиболее часто транзисторы работают в режиме переключения, т. е. в процессе работы они находятся в двух состояниях: сигнал на входе отсутствует и транзистор закрыт; на входе имеется сигнал достаточного уровня и транзистор полностью открыт (насыщен).

Выше были рассмотрены схемы включения транзистора типа р-п-р. Широко применяют также транзисторы (типа п-р-п), полярность включения которых является обратной (рис. 7.4, г). Это обусловлено другим чередованием типов проводимости в структуре монокристалла. В остальном принцип их действия аналогичен транзисторам типа р-п-р.

Для полного открытия (насыщения) транзистора типа р-п-р к базе необходимо приложить отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, а для насыщения транзистора типа п-р-п к базе необходимо приложить положительное (относительно эмиттера) напряжение 0,3—0,8 В. Широкое применение находят так называемые интегральные микросхемы (ИМС), которые представляют собой целые функциональные схемы, сосредоточенные в одном монокристалле. Интегральная микросхема состоит из множества компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле. Применение ИМС позволяет значительно уменьшить размеры и массу электронных устройств, упростить проектирование и монтаж, повысить надежность действия системы автоматики и телемеханики, снизить их стоимость и потребление электроэнергии.

Полупроводниковая ИМС обычно представляет собой кристалл кремния, в поверхностном слое которого по специальной технологии сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы (резисторам, конденсаторам, диодам, транзисторам) и соединения между ними.

Применение интегральных схем позволяет в тысячи раз повысить плотность размещения элементов схемы, в одном корпусе размещается целая функциональная схема. Использование стандартных схем в стандартных корпусах уменьшает стоимость системы автоматики из-за упрощения построения схем, выполнения межэлементных соединений и снижения затрат ручного труда.

Эти преимущества ИМС наиболее эффективно реализуются в системах, в которых применяется большое число стандартных схем, например в вычислительных машинах. Промышленность выпускает стандартные ИМС, предназначенные для выполнения разнообразных функций. Это аналоговые (выполняющие непрерывное преобразование сигнала) и цифровые (логические) схемы. К ним относятся усилители, генераторы, стабилизаторы, преобразователи, детекторы, триггеры, дешифраторы и т. д.

Вопросы для самоконтроля по пункту:

Полупроводниковые приборы: общие сведения

1) Опишите работу диода (рис. 7.1), отметьте применение диодов в схемах.

2) Применение стабилитрона.

3) Условия, при которых открывается тиристор (рис. 7.3).

4) Какое условие нужно выполнить, чтобы открылся транзистор p-n-p?

5) Чем отличается транзистор n-p-n от транзистора p-n-p?