Обозначение лампочки на схеме. Условное обозначение в электрических схемах

Интересно наблюдать, с какой поразительной скоростью сменяют друг друга технологии. Лет тридцать назад мы вполне были довольны электроникой, которой пользовались, простыми автомобилями, где-то неудобными и малоскоростными, скромными домами без евроремонта. Но так устроен человек, что постоянно стремится к чему-то более совершенному, и сейчас практически любая сфера жизни подвержена постоянной модернизации. Коснулся этот процесс также систем индикации и освещения. Так, на смену лампам накаливания пришли более совершенные полупроводниковые элементы - светодиоды.

Излучающий кристалл

История применения полупроводников старше начала использования ламп электронного типа. который считается изобретателем радио, искал с помощью нехитрого полупроводникового устройства наличие радиоволн. Первый диод Попова (детектор) был изготовлен из полупроводникового кристалла, зафиксированного в держателе, и пружинного заостренного контакта из вольфрама или стали. Этот контакт опирался на площадь полупроводника, и в зависимости от точки соприкосновения можно было найти наиболее четкий сигнал радиостанции.

Способность некоторых кристаллов излучать свет под действием тока была обнаружена чуть позже, случайно, но в первое время не использовалась на практике. Теперь же светодиоды широко применяют и в спецтехнике, и в быту.

Что такое светодиод, как он выглядит на схеме?

Светодиодом называется разновидность полупроводникового элемента, имеющего особенность кристалла излучать свет под действием проходящего сквозь него электрического тока. Этот эффект проявляется не у всех полупроводников, а лишь у тех, у которых в процессе рекомбинации электронов и дырок выделение энергии происходит в световом диапазоне. Светодиод, как и обычный диод, имеет p-n-переход и пропускает ток только в одном направлении.

Особенностью светодиода как светоизлучающего прибора является то, что в нем непосредственно происходит выделение квантов света. Это отличает его от ламп накаливания, где сначала происходит разогрев спирали до определенной температуры, или галогенных ламп с эффектом ионизации. Потери энергии в светодиодах минимальны.

Конструктивно в состав светодиода входят подложка с нанесенным на нее кристаллом, выводы для подключения в электрическую цепь и корпус, который одновременно является оптической системой. Обозначение светодиода на схеме имеет определенное графическое выражение, на электронной плате он обозначается специальной кодировкой.

Для чего служит светодиод, и как это отражено в его изображении на схеме?

Светодиод излучает свет, в этом его назначение. И на схематическом изображении это четко обозначено двумя стрелочками, идущими от элемента. Применение устройство получило очень широкое:

Особенности обозначения полупроводника на чертежах

Технические нормы и правила регламентируют обозначение светодиода на схеме. ГОСТ 2.702-2011 предписывает:

Светодиод - полярность обозначения

Обозначение светодиода на схеме позволяет легко определить его полярность, но чтобы определить ее у только что купленного элемента, нужно посмотреть на его контакты. Плюсовой вывод анода обычно имеет большую длину, чем катода.

Если светодиод установлен на плате, а она по каким-либо причинам не имеет маркировки элементов, то полярность полупроводника можно определить, внимательно посмотрев на его корпус. Со стороны катода (отрицательного вывода) на корпусе есть засечка плоской формы. Также у прозрачных типов корпусов светодиода видна его внутренность. Подобие чашечки, в которой расположен кристалл полупроводника, имеет прямое соединение с катодом.

В том случае, когда невозможно определить полярность вышеперечисленными способами, но в наличие есть электронный мультиметр, можно использовать его. Берут обычный диод с известной полярностью, ставят прибор на операцию прозвонки и подключают к полупроводнику. Запоминают полярность, когда диод проводит ток. Подключают светодиод к измерительным щупам. Добиваются, чтобы он проводил ток, отмечают его полярность.

Светодиод на плате

При сборке печатной платы радиомонтажники пользуются схемой и перечнем элементов спецификации. В соответствии с этим перечнем наносится специальная маркировка с указанием вида элемента и номера позиции его на схеме. Существуют международные стандарты обозначений на плате, которые повсеместно используются в импортной аппаратуре.

Обозначение светодиода на плате присутствует в виде графического изображения, буквенной кодировки и числа. Первое отображает в основном полярность полупроводника, буквы указывают на тип прибора, а число - на порядковый номер его в схеме и перечне.

Графическое обозначение светодиода на схеме платы идентично его изображению в чертеже, но может не содержать окружность вокруг значка диода. Буквенная кодировка выполнена заглавными латинскими буквами - LED (импортные схемы) и HL (отечественные). Число идет после букв либо внизу. Без числа невозможно определить параметры полупроводника, которые на плате не указывают за редким исключением.

Маркировка светодиодов

Буквенное на схеме (маркировка) несет всю информацию о характеристиках конкретного полупроводникового прибора. Маркировка содержит довольно много символов, поэтому ее не ставят на корпус прибора, а приводят в схеме либо на упаковке не распаянных элементов. Светодиоды в лентах идут бухтами в катушках, на которых проставлены маркировочные символы. Символьная кодировка отражает:

• Серию продукции.
• Цвет излучения светодиода. Современные светоизлучающие диоды бывают белого, зеленого, красного, синего, оранжевого, желтого цветов.
• Качество цветового потока. Например, светодиод для освещения в доме или на улице, индикации приборов, подсветки, для матриц изображения.
• Тип линзы. Бывают рассеивающие свет приборы и узконаправленного излучения с куполообразными, прозрачными и матовыми линзами.
• Мощность светового потока.
• Потребляемая мощность электроэнергии.
• Код идентификации производителя. Не имеет практической нагрузки.
• Символы резерва. Производители оставляют их для возможной модификации элементов.

Не существует определенного стандарта в маркировке светодиодов, поэтому каждый производитель имеет свою собственную кодировку. Запомнить ее невозможно, но серьезных производителей этого товара на рынке не так уж много. Среди них можно выделить такие фирмы, как Philips, Cree и Samsung.

Заключение

Кроме обычных светодиодов с выводами, существуют SMD-светодиоды с контактными площадками. Они отличаются маленькими размерами. Буквенное обозначение светодиода этого типа на схеме идентично с LED-элементами, но на плате упрощено и обычно сводится к указанию полярности.

Лекция № 4

Полупроводниковые диоды

На рисунке ниже показано условное графическое обозначение полупроводникового диода на принципиальных схемах.

Классификация полупроводниковых диодов

- Выпрямительные диоды;

- Диоды Шоттки;

- Импульсные диоды;

- СВЧ диоды;

- Варикапы;

- Диоды стабилизирующие напряжение (стабилитрон, двуханодный стабилитрон, стабистор);

- Светодиоды;

- Фотодиоды;

- Оптопара (светодиод+фотодиод);

- Тоннельный диод.

Условные графические обозначения диодов разных типов

Принцип работы диода

В основе принципа работы полупроводникового диода лежит p-n переход. Анод соответствует p области перехода, а катод – n области. Про физику работы p-n перехода можно почитать в книге Е.А. Москатова “Электронная техника”. В этой лекции словосочетания диод и p-n переход будут использоваться в качестве синонимов. Каждый p-n переход может работать в качестве диода, но не каждый диод является p-n переходом  Дело в том, что существуют диоды Шоттки, использующие свойства перехода Шоттки (контакт металл-полупроводник).

Если напряжение на аноде больше напряжения на катоде – диод включен в прямом направлении .

Если напряжение на аноде меньше напряжения на катоде – диод включен в обратном направлении.

С увеличением прямого напряжения на диоде, его сопротивление уменьшается, а ток через диод увеличивается. При отсутствии прямого напряжения и тем более при приложении к диоду обратного напряжения (обратного смещения), сопротивление p-n перехода настолько велико, что можно считать его разрывом в цепи. При прямом падении напряжения на диоде равном 0.6-0.7 вольт, сопротивление диода составляет от нескольких десятков до нескольких сотен Ом.

Вышесказанное наглядно подтверждает вольтамперная характеристика полупроводникового диода:

Ток через p-n переход описывается формулой:

где I 0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;

e – основание натурального логарифма;

e’ – заряд электрона;

Т – температура;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

k – постоянная Больцмана.

–температурный потенциал, при комнатной температуре равный примерно 0,025 В.

Свойства p-n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды. При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, т.е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника, что, прежде всего, сказывается на изменении обратного тока. При увеличении температуры обратный ток увеличивается примерно в 2 раза при изменении температуры () на каждые 100С у германиевых и на каждые 7,50С у кремниевых диодов.

Максимально допустимое увеличение обратного тока определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 … 100°С для германиевых диодов и 150 … 200°С – для кремниевых.

Минимально допустимая температура диодов лежит в пределах минус (60 … 70) °С.

При достижении некоторой величины обратного напряжения на диоде, сопротивление диода резко уменьшается и ток через диод сильно возрастает. Это явление называется пробоем p-n перехода. Пробой p-n перехода (диода), в свою очередь может быть обратимым и необратимым. Обратимый пробой используется для стабилизации напряжения при помощи стабилитронов.

Важный класс диодов – диоды Шоттки. Падение напряжения на диоде Шоттки в открытом состоянии составляет 0.3 вольта (в отличие от 0.6-0.7 вольт для диода на p-n переходе). Условное графическое обозначение диодов Шоттки на схемах:

Частотные свойства диодов, барьерная емкость

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода: барьерной и диффузионной.

Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью

Относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единица);

Электрическая постоянная, численно равная 8,854187817.10 − 12

S p - n – площадь p-n перехода;

Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Q – суммарный заряд, протекающий через p-n переход.

Эквивалентная схема p-n перехода.

Ri очень мало при прямом включении и будет велико при обратном включении .

Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ёмкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.

Выпрямительные диоды

Основная задачи диода – выпрямление переменного тока/напряжения выполняется за счет вентильных свойств p-n перехода.

Если вы вспомните, что диод - это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя. Представленная схема называется однополупериодным выпрямителем , так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов

Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.

Однополупериодный выпрямитель неэффективен, так как мы теряем половину напряжения за период, соответственно выходное напряжение в два раза меньше.

Для устранения этого недостатка используют двухполупериодный выпрямитель:

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Выпрямленные диодным мотом (двухполупериодной схемой) сигналы, еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них присутствует большое количество «пульсаций» (периодических колебаний напряжения относительно постоянного значения), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настоящее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот.

Резистор R в приведенной выше схеме исп. Не обязательно, так как диодный мост имеет определенное выходное сопротивление.

Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя, показанная на рисунке ниже. Она позволяет рсщеплять напряжение питания (получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности). Эта схема эффективна, так как в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.

Полупроводниковые диоды

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока, предназначен для выпрямления переменного тока.

Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

1. Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение и характеристики выпрямительных диодов. Два вывода диода: анод А и катод К не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперной характеристике диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – вольт-амперная характеристика, б – условное графическое изображение

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от германиевых диодов, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам германиевых диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3 - 0,6 В против 0,8 - 1,2 В). Кроме названных полупроводниковых материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Полупроводниковые диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечный диод образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5 - 1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).

Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max,

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max,

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА,

– средней мощности, прямой ток 300 мА - 10 А,

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, - 1600 А.

2. Импульсные диоды применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1 - 100 мкс).

3. Стабилитрон предназначен для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Внешний вид одной из конструкций наиболее распространенных среди радиолюбителей стабилитронов и его графическое обозначение показаны на (рис.2). По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке вольт - амперной характеристики, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви вольт - амперной характеристики , где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона вам поможет его вольт - амперная характеристика, показанная на (рис. 2, а). Здесь (как и на рис. 2) по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение Uобр., а по вертикальной оси вниз - обратный ток Iобр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности , т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с отрицательным полюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень медленно - характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр. р - n переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт - амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой же р - n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторого допустимого значения.

Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах

Рис. 2. Вольт - амперная характеристика стабилитрона (а) и схема параметрического стабилизатора напряжения (б)

На (рис. 2 ,б) приведена схема возможного практического применения стабилитрона. Это так называемый параметрический стабилизатор напряжения . При таком включении через стабилизатор V течет обратный ток Iобр., создающийся источником питания, напряжение которого может изменяться в значительных пределах. Под действием этого напряжения ток Iобр., текущий через стабилитрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему нагрузке Rн остается практически неизменным - стабильным. Резистор R ограничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон. Параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст ., ток стабилизации Iст. , минимальный ток стабилизации Icт.min и максимальный ток стабилизации Icт.max . Параметр Uст. - это то напряжение, которое создается между выводами стабилизатора в рабочем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до 180 В. Минимальный ток стабилизации Iст. min - это наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме пробоя (на рис. 2, а - штриховая линия Iст.min), с уменьшением этого тока прибор перестает стабилизировать напряжение. Максимально допустимый ток стабилизации Iст.max - это наибольший ток через прибор, при котором температура его р - n перехода не превышает допустимой (на рис. 2, а - штриховая линия Icт.max) - Превышение тока Iст.max ведёт к тепловому пробою р - n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

4.Фотодиод - полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода. Существуют два режима работы фотодиодов:

Без внешнего источника электропитания (режим фотогенератора);

С внешним источником электропитания (режим фотопреобразователя).

В первом режиме используется фотогальванический эффект. Воздействие светового потока на p – n переход через отверстие в корпусе приводит к созданию на зажимах фотодиода (при разомкнутой внешней цепи) разности потенциалов, называемой фото - э.д.с. У селеновых и кремниевых фотодиодов фото - э.д.с. достигает 0,5 - 0,6 В, у диодов из арсенида галлия - примерно 0,8 - 0,9 В.

При замыкании выводов освещенного фотодиода на резистор ток, появляющийся в цепи, зависит от фото - э.д.с. и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода возникает при сопротивлении, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При больших световых потоках наступает насыщение и рост фото - э.д.с. прекращается. Фотодиоды, работающие в данном режиме, находят применение в солнечных батареях.

Если фотодиоды включить в цепь с источником электропитания в непроводящем направлении (рис.3) и обеспечить освещение, то при изменении интенсивности освещения происходит существенное изменение обратной ветви вольт характеристики и, как следствие, изменение величины обратного тока I .

Рис.3. Полупроводниковый фотодиод: схема включения (режим фотопреобразователя)

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный темновой ток (5-10 мкА). При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, что приводит к увеличению тока в цепи. Выходным сигналом в цепи обычно является напряжение , на резисторе . Фотодиод обладают высокой чувствительностью и используются в схемах автоматического контроля и регулирования.

5. Светодиод - полупроводниковый диод, в котором предусмотрена конструктивная возможность вывода светового излучения из области p – n перехода через отверстие в корпусе.

Принцип действия светодиода основан на интенсивной рекомбинации носителей зарядов и, как следствие этого, выделении лучистой энергии при протекании через p – n переход прямого тока. Светодиод изготавливают из карбида кремния и фосфида галлия, излучающего видимый свет в диапазоне от красного до голубого.

Светодиоды находят применение в цифровых буквенных и знаковых индикаторах систем автоматики.

Транзистор

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими p – n переходами, предназначенный для усиления мощности .

Широкое распространение имеют транзисторы с двумя p – n переходами. Транзисторы данного типа характерны наличием двух различных типов носителей заряда - дырок и электронов.

1.Биполярный транзистор - это транзистор с двумя p – n переходами . Для изготовления транзисторов данного типа применяют в основном кремний и германий. Два p – n перехода создают трехслойную полупроводниковую структуру из полупроводников с различными типами электропроводимости. В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводимости биполярные транзисторы подразделяются на два класса: типа p – n – p и типа n – p – n .

Транзисторы изготавливаются в металлических, пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении (для микросхем)

Схематическое устройство и условное графическое обозначение биполярных транзисторов (типа n – p – n ) приведены на рис.4, а.

Рис.4. Биполярный транзистор n – p – n : а) условное обозначение; б) и в) движение носителей заряда (электронов и дырок)

У биполярных транзисторов центральный слой называют базой (Б) . Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора, называют эмиттером (Э) , а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К) .

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ) , с общим эмиттером (ОЭ) , и общим коллектором (ОК). Различие в способах включения зависит от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ- эмиттер, в схеме ОК – коллектор.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером (рис.5, а). Для такой схемы входной ток равен току базы: = - . Малая величина входного (управляющего) тока обусловила широкое применение данной схемы.

Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером называют входной (базовой) характеристикой транзистора (), а зависимость тока коллектора от напряжения при постоянных значениях тока базы - семейством его выходных (коллекторных) характеристик (). Входная и выходная характеристики биполярного транзистора средней мощности типа n – p – n приведены соответственно на рис.5, б, в.

Рис.5. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером
Схемы включения биполярного транзистора: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК

2. Полевые (униполярные) транзисторы - в отличие от биполярных транзисторов управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом ли переходом металл - полупроводник (барьер Шоттки), и с изолированным затвором или транзисторы МДП (МОП) (метал - диэлектрик - полупроводник). Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом проще биполярного.

А) Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть, отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. - Прибор, в котором электрическое поле, возникающее от приложения напряжения между затвором и истоком, управляет через канал током. В полевом транзисторе носители заряда (электроны или дырки) одного знака проходят по полупроводниковому каналу. Канал - это полупроводниковая область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала, - стоком (С). Электрод, служащий для регулирования попе речного сечения канала, носит название затвора (З).

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами p - и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде p – n перехода - полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый p – n переход. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с каналом n- типа и затвором в виде p – n перехода приведены на рис.6, а, б.

В транзисторе с каналом n - типа основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом образуя ток стока . Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p – n переход, образованный n - областью канала и p - областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с каналом n - типа полярности приложенных напряжений следующие: .

В транзисторе с каналом p - типа основными носителями заряда в канале являются дырки, которые движутся в направлении понижения потенциала, поэтому , а .

Рис.6. Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого транзистора с каналом n-типа и затвором в виде p – n перехода:1 - ввод истока; 2 - затвор; З - канал; 4 - вывод затвора; 5 - вывод стока

Б). Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO 2 , выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП (МОП) -транзисторами.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 7).

Рис.7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.

Условно- графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке :

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

2. Полевой МДП (МОП) транзистор с изолированным затвором

Тиристор

–полупроводниковое устройство, обладающее тремя и более р-n переходами. Используется в электрических схемах в качестве ключа.

Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется под внешним воздействием электрического напряжения или тока на прибор.

Основными типами являются диодные (двухэлектродные) и триодные (трехэлектродные) тиристоры.

1.В диодном тиристоре (динисторе), структура которого изображена на рис.8, а, переход прибора из закрытого состояния в открытое производится, когда напряжение между анодом и катодом достигает некоторой величины, являющейся номинальным параметром прибора - напряжением переключения .

Рис.8. Диодный тиристор (динистор): а) структура; б) вольт - амперная характеристика

2.Триодным тиристором называется управляемый трехэлектродный переключатель, в котором переключение четырехслойной p 1 – n 1 – p 2 – n 2 – структуры в проводящее состояние (рис.9, а) производится подключением на один из слоев структуры (p 2) напряжения управления. Таким образом, обеспечивается увеличение тока через переход n 3 на величину .

Рис.9. Триодный тиристор: а) структура, вольт - амперная характеристика; б) конструкция

3.Симметричные тиристоры (симисторы) позволяют управлять переключением цепи переменного тока в течение как положительного, так и отрицательного полупериодов приложенного переменного напряжения. На рис.10, а показано условное обозначение прибора в схемах и его вольт - амперная характеристика.

Рис.10. Симметричный тиристор (симистор)

Выпрямитель

- статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии в постоянный.

Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 11). Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Рис. 11. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

· средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср,

· частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),

· коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения.

· внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,

· к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф - мощность потерь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

В механике есть такие устройства, которые пропускают воздух или жидкость только в одном направлении. Вспомните, как вы накачивали колесо велосипеда или автомобиля. Почему, когда вы убирали шланг насоса, воздух не выходил из колеса? Потому что на камере, в пипочке, куда вы вставляете шланг насоса, есть такая интересная штучка – . Вот он как раз пропускает воздух только в одном направлении, а в другом направлении блокирует его прохождение.

Электроника – эта та же самая гидравлика или пневматика. Но весь прикол заключается в том, что в электронике вместо жидкости или воздуха используется электрический ток. Если провести аналогию: бачок с водой – это заряженный конденсатор , шланг – это провод, катушка индуктивности – это колесо с лопастями

которое невозможно сразу разогнать, а потом невозможно резко остановить.

Тогда что такое ниппель в электронике? А ниппелем мы будем называть радиоэлемент – . И в этой статье мы познакомимся с ним поближе.

Полупроводниковый диод представляет из себя элемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. Это своеобразный ниппель;-).

Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:

А некоторые выглядят чуточку по другому:

Есть также и SMD исполнение диодов:

Диод имеет два вывода , как и резистор, но у этих выводов, в отличие от резистора, есть определенные названия – анод и катод (а не плюс и минус, как говорят некоторые неграмотные электронщики). Но как же нам определить, что есть что? Есть два способа:

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской , отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Если подать на анод плюс, а на катод минус, то у нас диод “откроется” и электрический ток спокойно по нему потечет. А если же на анод подать минус, а на катод – плюс, то ток через диод не потечет. Своеобразный ниппель;-). На схемах простой диод обозначают вот таким образом:

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки;-).

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его

1) Обратное максимальное напряжение U обр – это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток I обр – сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток I пр – это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота F d , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение . Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца . Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст) . Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (I min , I max) . Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (U обр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (I max ) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое , которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – I ос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (U у ), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы . У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки . Диодные мосты – одна из разновидностей диодных сборок.

На схемах диодный мост обозначается вот так:

Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.

— простейшие полупроводниковые приборы, основой которых является электронно-дырочный переход (р-п-переход ). Как известно, основное свойство р-n-перехода — односторонняя проводимость: от области р (анод) к области п (катод). Это наглядно передает и условное графическое обрзначение полупроводникового диода : треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Перпендикулярная этой стрелке черточка символизирует катод (рис. 7.1 ).

Буквенный код диодов — VD. Этим кодом обозначают не только отдельные диоды, но и целые группы, например, выпрямительные столбы . Исключение составляет однофазный выпрямительный мост, изображаемый в виде квадрата с соответствующим числом выводов и символом диода внутри (рис. 7.2 , VD1). Полярность выпрямленного мостом напряжения на схемах не указывают, так как ее однозначно определяет символ диода. Однофазные мосты, конструктивно объединенные в одном корпусе, изображают отдельно, показывая принадлежность к одному изделию в позиционном обозначении (см. рис. 7.2 , VD2.1, VD2.2). Рядом с позиционным обозначением диода можно указывать и его тип.

На основе базового символа построены и условные графические обозначения полупроводниковых диодов с особыми свойствами. Чтобы показать на схеме стабилитрон , катод дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 7.3 , VD1). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения УГО стабилитрона на схеме (VD2—VD4). Это относится и к символу двуханодного (двустороннего) стабилитрона (VD5).

Аналогично построены условные графические обозначения туннельных диодов , обращенных и диодов Шотки — полупроводниковых приборов, используемых для обработки сигналов в области СВЧ. В символе туннельного диода (см. рис. 7.3 , VD8) катод дополнен двумя штрихами, направленными в одну сторону (к аноду), в УГО диода Шотки (VD10) — в разные стороны; в УГО обращенного диода (VD9) — оба штриха касаются катода своей серединой.

Свойство обратно смещенного р-n-перехода вести себя как электрическая ёмкость использовано в специальных диодах — варикапах (от слов vari(able) — переменный и cap(acitor) — конденсатор). Условное графическое обозначение этих приборов наглядно отражает их назначение (рис. 7.3 , VD6): две параллельные линии воспринимаются как символ конденсатора. Как и конденсаторы переменной ёмкости, для удобства варикапы часто изготовляют в виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раздельными анодами. Для примера на рис. 7.3 показано УГО матрицы из двух варикапов (VD7).

Базовый символ диода использован и в УГО тиристоров (от греческого thyra — дверь и английского resistor — резистор) — полупроводниковых приборов с тремя р-л-переходами (структура p-n-p-n), используемых в качестве переключающих диодов. Буквенный код этих приборов — VS.

Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторами и обозначают символом диода, перечеркнутым отрезком линии, параллельным катоду (рис. 7.4 , VS1). Такой же прием использован и при построении УГО симметричного динистора (VS2), проводящего ток (после его включения) в обоих направлениях. Тиристоры с дополнительным, третьим выводом (от одного из внутренних слоев структуры) называют тринисторами . Управление по катоду в УГО этих приборов показывают ломаной линией, присоединенной к символу катода (VS3), по аноду — линией, продолжающей одну из сторон треугольника, символизирующего анод (VS4), Условное графическое обозначение симметричного (двунаправленного) тринистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода (см. рис.7.4 , VS5).

Из диодов, изменяющих свои параметры под действием внешних факторов, наиболее широко применяют фотодиоды . Чтобы показать такой полупроводниковый прибор на схеме, базовый символ диода помещают в кружок, а рядом с ним {слева вверху, независимо от положения УГО) помещают знак фотоэлектрического эффекта — две наклонные параллельные стрелки, направленные в сторону символа (рис. 7.5 , VD1—VD3). Подобным образом строятся УГО любого другого полупроводникового диода, управляемого оптическим излучением. На рис. 7.5 в качестве примера показано условное графическое обозначение фотодинистора VD4.

Аналогично строятся условные графические обозначения светоизлучающих диодов , но стрелки, обозначающие оптическое излучение, помещают справа вверху, независимо от положения УГО и направляют в противоположную сторону (рис. 7.6 ). Поскольку светодиоды, излучающие видимый свет, применяют обычно в качестве индикаторов, на схемах их обозначают латинскими буквами HL. Стандартный буквенный код D используют только для инфракрасных (ИК) светодиодов.
Для отображения цифр, букв и других знаков часто применяют светодиодные знаковые индикаторы. Условные графические обозначения подобных устройств в ГОСТе формально не предусмотрены, но на практике широко используются символы, подобные HL3, показанному на рис. 7.6 , где изображено УГО семисегментного индикатора для отображения цифр и запятой. Сегменты подобных индикаторов обозначаются строчными буквами латинского алфавита по часовой стрелке, начиная с верхнего. Этот символ наглядно отражает практически реальное расположение светоизлучающих элементов (сегментов) в индикаторе, хотя и не лишен недостатка; он не несет информации о полярности включения в электрическую цепь (поскольку подобные индикаторы выпускают как с общим анодом, так и с общим катодом, то схемы включения будут различаться). Однако особых затруднений это не вызывает, поскольку подключение общего вывода индикаторов обычно указывают на схеме. Буквенный код знаковых индикаторов — HG.

Светоизлучающие кристаллы широко используют в оптронах — специальных приборах, применяемых для связи отдельных частей электронных устройств в тех случаях, если необходима их гальваническая развязка. На схемах оптроны обозначают буквой U и изображают, как показано на рис. 7.7 .

Оптическую связь излучателя (светодиода) и фотоприемника показывают в этом случае двумя стрелками, перпендикулярными к линиям электрической связи — выводам оптрона. Фотоприемником в оптроне могут быть фотодиод (см. рис. 7.7 , U1), фототиристор U2, фоторезистор U3 и т. д. Взаимная ориентация символов излучателя и фотоприемника не регламентируется. При необходимости составные части оптрона можно изображать раздельно, но в этом случае знак оптической связи следует заменять знаками оптического излучения и фотоэффекта, а принадлежность частей к одному изделию показывать в позиционном обозначении (см. рис. 7.7 , U4.1, U4.2).