Электронные элементы автоматики

Tags: формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы радиолокация

ISBN: 978-5-9729-2561-2

Similar

Электроприводы подач станков с ЧПУ

Радиоэлектроника, автоматика и элементы ЭВМ

Электронные и микропроцессорные средства судовых систем управления

Конструирование судовой автоматики на микромодулях

Text

С. Г. Синичкин, Т. Б. Синичкина

ЭЛЕКТРОННЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
АВТОМАТИКИ

«Инфра-Инженер
С. Г. СИНИЧКИН, Т. Б. СИНИЧКИНА

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
АВТОМАТИКИ

Рекомендовано Ученым советом

Нижегородского государственного технического университета
им Р Е Алексеева в качестве учебного пособия для студентов
направлений подготовки: 75 03.04, 15 04 04 «Автоматизация машиностроения»
и 15.03.06, 15.04,06 «Мехатроника и робототехника»

Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2025
УДК 621.9.06-529

ЬБК 32.95

С38

Рецензенты:
заместитель директора ФБУ «Нижегородский ЦСМ»
кандидат технических наук, доцент
А. И. Лахоншг,
заместитель главного конструктора ГЗФС
доктор технических наук
Е. А. Чернов

Синичкин, С. Г.

С38 Электронные элементы автоматики : учебное пособие / С. Г. Синичкин, Т. Б. Си-
ничкина. - Москва ; Волш да : Инфра-Инженерия, 2025. - 300 с.: ил., габл.

ISBN 978-5-9729-2561-2

Рассмотрены основные электронные элементы, которые широко применяются
в устройствах и системах промышленной автоматики для управления технологическим
оборудованием. Приводятся сведения о принципах и режимах работы, характеристиках
и схемах включения элементов. Основное внимание направлено на практическое приме-
нение электронных элементов в промышленной автоматике.

Материалы пособия могут быть использованы студентами при изучении различ-
ных учебных дисциплин, связанных с управлением технологическим оборудованием,
при выполнении выпускных квалификационных работ, а также специалистами в области
автоматизации технолог ических процессов.

УДК 621.9.06-529

ББК 32.95

ISBN 978-5-9729-2561-2

ВВЕДЕНИЕ....................................................5

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
АВТОМАТИКИ......................................................7

Глава 2. РЕЗИСТОРЫ..............................................9

Глава 3. КОНДЕНСАТОРЫ..........................................27

Глава 4. ИНДУКТИВНОСТИ.........................................53

Глава 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ...............................63

5.1. Классификация и принцип работы полупроводниковых диодов.63

5.2. Полупроводниковые диоды общего применения...............67

5.3. Специальные диоды.......................................90

Глава 6. ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ..................102

6.1. Динисторы..............................................102

6.2. Тиристоры..............................................107

6.3. Симисторы..............................................121

Глава 7. ТРАНЗИСТОРЫ..........................................125

7.1. Биполярные транзисторы.................................127

7.2. Однопереходные транзисторы.............................148

7.3. Полевые транзисторы....................................151

7.3.1. Полевые транзисторы с управляющим ^-//-переходом..152

7.3.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором......162

7.3.3. Примеры применения полевых транзисторов...........170

7.4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором........172

Глава 8. ОПТРОНЫ..............................................175

8.1. Принцип работы, классификация и рабочие параметры оптронов.175

8.2. Применение оптронов....................................180

8.3. Применение специальных оптронов........................182

Глава 9. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ..............................185

9.1. Классификация интегральных микросхем....................... 187

9.2. Система условных обозначений ИМС.......................192

9.3. Аналоговые интегральные микросхемы.....................196
9.3.1. Усилители постоянного тока..................... 196

9.3.2. Операционные усилители..........................201

9.3.3. Основные схемы включения........................206

9.3.4. Применение операционных усилителей в автоматике.217

9.4. Цифровые логические интегральные микросхемы..........225

9.5. Цифровые функциональные интегральные микросхемы......247

9.6. Микропроцессорные интегральные микросхемы............278

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................285

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................286

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................292
ВВЕДЕНИЕ

Комплексная автоматизация производства предполагает объединение
в единую сложную систему различного технологического оборудования
(станки, промышленные роботы, автоматические линии, склады и т. д.).
Важным связующим звеном для всего этого оборудования являются совре-
менные автоматизированные системы управления технологическими про-
цессами (АСУ ТП), имеющие иерархическую структуру, начиная с нижнет о
уровня, непосредственно связанного с управлением технологическим обо-
рудованием, и заканчивая верхним уровнем управления. Таким образом,
объединяются в общую систему технологическое, транспортное и обслу-
живающее оборудование, материальные и информационные потоки. Функ-
циональные возможности таких объединенных систем в большой степени
реализуются на основе вычислительной и микропроцессорной техники и
большот о количества различных электронных элементов. К таким элемен-
там относятся: диоды, транзисторы, интегральные схемы. С ними применя-
ются в большом количестве резисторы, конденсаторы, индуктивности. Все
эти элементы и составляют базу электронной автоматики.

Электроника берет начало с появлением первого лампового (вакуум-
ного) диода (1904 г., Д. Флеминг) и триода (1906 г., Д. Форест). Большой
вклад в становление ламповой электроники внесли отечественные ученые:
Н. Д. Паиалекси, М. А. Бонч-Бруевич и др. В течение длительного времени
электронные лампы были основными активными элементами электронных
устройств. Однако они обладали серьезными недостатками: большие габа-
риты, хрупкость, значительное потребление энергии (особенно на накал ни-
тей для разорева катода).

В 20-х годах прошлого века сотрудник Нижегородской радиолабора-
тории Олег Лосев обратил внимание на способность полупроводниковых
элементов выполнять функции детектора (для радиоприемника) и усили-
теля сигналов (кристадин Лосева), а также излучать свет.

В 30-х годах прошлого столетия началось активное изучение полу-
проводниковых материалов с целью их использования в электронике. Боль-
шой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы отече-
ственных физиков Ленинградского физико-технического института, воз-
главляемых академиком А. Ф. Иоффе.

Новый этап в развитии электронной техники начался с момента изоб-
ретения транзистора (1948 г.) американскими учеными (Уильям Шокли,
Уолтер Браттейн и Джон Бардин). Обладая существенными преимуще-
ствами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обеспечили
бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисто-
ров в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабарит-
ные электронные устройства с относительно малым потреблением электро-
энергии. В 1957 г. фирмой General Electric был создан тиристор. В 1958 г.
появился первый полевой транзистор.

Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появле-
нием интегральных микроэлектронных схем. Первая интегральная микро-
схема (ИМС) была изобретена в 1959 г. американцем Джоном Килби. ИМС -
это электронное устройство, элементы которого изготовляются в едином тех-
нологическом цикле на одном основании - подложке. Промышленный вы-
пуск ИМС был начат в начале 60-х годов XX в. Первая логическая ИМС по-
явилась в 1961 г., первый интегральный операционный усилитель цА709 был
разработан в 1964 г. двадцатичетырехлетним американским ученым Р. Видла-
ром (спустя два года после окончания университета, где он получил степень
бакалавра). Все это способствовало бурному прогрессу в развитии электро-
ники и микроминиатюризации элекгронных устройств. Эти тенденции полу-
чили еще большее развитие с появлением больших (БИС - 1969 г.), а затем и
сверхбольших (СБИС -1975 г.) интегральных микросхем, которые позволили
разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Ос-
новой таких ЭВМ стал микропроцессор. Первый четырехразрядный микро-
процессор был изготовлен фирмой Intel в 1971 г., а на следующий год - вось-
миразрядный.

В настоящее время интегральные микросхемы и дискретные полупро-
водниковые приборы стали основной элементной базой современных элек-
тронных устройств промышленной автоматики. В этой связи специалистам
по автоматизации технологических процессов и промышленным роботам
необходимо хорошо знать элементную базу современной автоматики. Реше-
нию этой задачи и служит настоящее учебное пособие. Его отличительной
особенностью является рассмотрение электронных элементов с целью их
практического применения, а не внутренних процессов, которые весьма
сложны для неподготовленного читателя.

Как показывает практический опыт, часто в этом и нет необходимо-
сти. Более целесообразно знать свойства прибора и уметь правильно ис-
пользовать его в схеме для обеспечения требуемого режима работы. В этой
связи при рассмотрении свойств полупроводниковых элементов внутрен-
ние процессы в приборах максимально упрощены или не рассматриваются
вовсе.

При необходимости всегда можно воспользоваться общей литературой
по основам физики полупроводниковых приборов, в частности, [1,2, 3].
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

Под электронной базой автоматики будем понимать совокупность от-
дельных элементов, которые широко используются в устройствах обра-
ботки и преобразования электрических сигналов и предназначены для уста-
новки, например, на печатной плате и соединения между собой электриче-
скими проводниками. Это ограничивает круг рассмотрения из всего
огромного многообразия элементов, которые могут быть использованы в
современной автоматике. Однако силовые полупроводниковые элементы
устанавливают не на печатной плате, а на специальном радиаторе, для от-
вода тепла, выделяющегося при работе прибора.

Представим графически рассматриваемые в учебном пособии элек-
тронные элементы автоматики (рис. 1.1), разделив их на два больших
класса: электрорадиоэлементы и полупроводниковые элементы. Каждый
класс можно разделить на основные группы элементов с указанием их бук-
венных обозначений в схемах.

Электрорадиоэлементы’, резисторы (А), конденсаторы (С), индуктив-
ности (Z).

Полупроводниковые элементы: диоды (FD), переключающие эле-
менты (KS). транзисторы (VT), оптроны (VU).

Интегральные микросхемы: аналоговые (DA) и цифровые {DD\

Для более полного представления далее выделены разновидности эле-
ментов каждой группы. Например, резисторы делятся на постоянные, пере-
менные и нелинейные. Каждая из разновидностей может быть разделена на
типы элементов. Например, к нелинейным можно отнести терморезисторы,
сопротивления которых зависит от температуры; варисторы, сопротивле-
ние которых зависит от приложенного напряжения; магниторезисторы, со-
противление которых зависит от напряженности магнитного поля. Анало-
гично представлены и другие группы элементов.

Классификация электронных элементов автоматики по рис. 1.1 является
программой их рассмотрения в учебном пособии от простых радиоэлементов
(резисторы, конденсаторы, индуктивности) до различных интегральных схем.

При рассмотрении элементов вначале уделено внимание их вольтам-
перным характеристикам и свойствам. Далее приводятся примеры приме-
нения рассматриваемого элемента и его работа в схеме. Как правило, при-
меры приводятся с использованием уже ранее рассмотренных элементов.
Это значительно упрощает понимание работы схемы и роль рассматривае-
мого элемента.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

РЕЗИСТОРЫ R КОНДЕНСА- ТОРЫ С ИНДУКТИВ- НОСТИ L ДИОДЫ (2) ПЕРЕКЛЮЧА- ЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРЫ ГТ ОПТРОНЫ ИНТ! ГРАЛЬНЫ! МИКРОСХЕМЫ

— Регулировочные

— Подстроечные

Постоянные

Бумажные,

керамические.

слюдяные и т. д.

— Оксидные

— Ионнсторы

Нелинейные

Переменные

-Варисторы
Н Термо-
резисторы

HMai шпо-
ре зисторы

Ч Фото-
резисторы

НС поворотными пластинами
и воздушным диэлектриком

— Подстроечные

— Варикапы

— Вариконды

— со встроенным каналом

— с индуцированным каналом

Биполярные
с изолированным
затвором

“Логические

Н Функцио-
нальные

Н Микропро-
цессорные

Радиоэлементы

Полупроводниковые элементы

Рис. 1.1. Классификация электронных элементов автоматики
Глава 2. РЕЗИСТОРЫ

Резисторы относятся к числу наиболее массовых изделий электрон-
ной техники.

Резистор (англ, resistor, от лат. resist© - сопротивляюсь) - пассивный
элемент электрической цепи, характеризуемый определенным сопротивле-
нием для электрического тока. Служат в основном для задания требуемого
тока в учасгке электрической цепи и для реализации делителей напряжения.

Резисторы можно классифицировать по различным признакам. Так,
по назначению они разделяются на резисторы общего и специального
назначения. По материалу резистивного элемента, которое и определяет со-
противление резистора, можно их разделить на резисторы проволочные и
непроволочные. По характеру изменения сопротивления резисторы делятся
на постоянные, переменные (регулируемые и подстроечные) и нелинейные.

Рассмотрим кратко отмеченные разновидности резисторов.

Постоянные резисторы

Наиболее применяемая группа резисторов, в которую входят непро-
волочные и проволочные резисторы. Непроволочные резисторы представ-
ляют собой фарфоровую или керамическую трубочку (стержень), на кото-
рую нанесена тонкая пленка металла или углеродистой массы, сверху по-
крытая термостойкой эмалью. Проволочные резисторы изготавливают с
использованием высокоомной проволоки, которая наматывается на какую-
либо основу, чаще всего в виде стержня, а затем также покрывается термо-
стойкой эмалью.

В настоящее время широко применяются малогабаритные резисторы
для поверхностного монтажа - 5Л//)-резисторы. Внешний вид различных
постоянных резисторов показан на рис. 2.1 |4].

Наиболее важными техническими характеристиками резисторов яв-
ляются: номинальное сопротивление; допускаемое отклонение ог номи-
нального сопротивления (допуск); номинальная мощность рассеяния и пре-
дельное напряжение.

Номинальное сопротивление и допуск

Номинальное сопротивление (/?и) - электрическое сопротивление,
значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной до-
кументации и является исходным для отсчета отклонений от этого значе-
ния. В первую очередь резистор выбирают для применения в какой-либо
схеме именно по этому параметру.
1

Рис. 2.1. Внешний вид постоянных резисторов:

1 - проволочные, мощные; 2 - разные с буквенно-цифровой
и цветной маркировкой

Номинальные сопротивления резисторов стандартизированы. Для по-
стоянных резисторов, согласно ГОСТ 28884-90 (МЭК 63-63) [5], установ-
лено семь рядов: ЕЗ, Еб, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, а для переменных рези-
сторов используется ряд Е6. Наибольшее применение находят резисторы
общего применения с номиналами по рядам Е6, Е12, Е24. Цифра после
буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном ин-
тервале (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Ряды номинальных значений сопротивлений резисторов (Е6, Е12. Е24)

Ряд Числовые коэффициенты Допустимое отклонение, %
Е6 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 20
Е12 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 10
Е24 1; 1,1; 1.2; 1.3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2.4; 2.7; 3; 3.3; 3.6; 3.9; 4,3; 4,7: 5,1; 5.6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1 5

Номинальные сопротивления в каждой декаде соответствуют указан-
ным в таблице числам или числам, полученным умножением или делением
их на 10", где п - целое положительное или отрицательное число.

Действительные значения сопротивлений резисторов вследствие по-
грешностей изготовления могут отличаться от номинальных. Разница
между номинальным и действительным сопротивлениями, выраженная в
процентах по отношению к номинальному сопротивлению, называется до-
пускаемым отклонением от номинального сопротивления или. кратко, до-
пуском. В табл. 2.1 указаны допуски на постоянные резисторы для рядов
Е6.Е12 и Е24.

Номинальное сопротивление обозначается цифрами с указанием
единицы измерения сопротивления, в качестве которой наиболее широко
используются: омы, килоомы, мегаомы. Единица сопротивления Ом
названа в честь немецкого физика Георга Ома. В табл. 2.2 показаны еди-
ницы измерения сопротивления (столбец 1) и варианты их обозначения -
столбцы 2-5 [6, X].

1. Единицы измерения сопротивления.

2. Сокращенное обозначение единицы измерения.

3. Буквенное обозначение единицы измерения (R или ранее Е).

4. Обозначение номинального сопротивления с сокращенным обо-
значением единицы измерения.

5. Обозначение номинального сопротивления с буквенным кодиро-
ванным обозначением единицы измерения

Таблица 2.2

Варианты обозначения единиц измерения сопротивления

1. Единица измерения 2 3 4 5
Омы Ом А(Е) 220 Ом 220 Л(Е)
Килоомы кОм К (К) 680 кОм 680 К (К)
Мегаомы МОм М(М) 3.3 МОм ЗМЗ(М)

В графе 5 буквам А, К, М соответствуют множители 1, 10\ 10'1. Место
буквы соответствует запятой десятичного знака. Сравните с обозначением
в графе 4 и 5 (3,3 МОм и ЗМЗ).

Для обозначения допуска используется указание допустимого откло-
нения от номинального сопротивления в процентах, чему соответствует
буквенная кодировка допуска (пример в табл. 2.3).

Таблица 2.3

Буквенная кодировка допуска
допустимого отклонения сопротивления

Допустимое отклонение в % ±20 ±10 ±5 ±2 ±1
Кодированное (буквенное) обозначение М К J G F
При записи номинального сопротивления резистора в перечне эле-
ментов (к принципиальной схеме) используется обозначение по столбцу 4
табл. 2.2.

В табл. 2.4 приведены примеры полных и кодированных обозначений
номинальных значений сопротивлений резисторов с указанием допуска.

Таблица 2.4

Пример полных и кодированных
обозначений сопрогивлений

Полное обозначение Код
3,9 Ом ± 5 % 3R9J
215 0м±2% 215RG
1 кОм ± 5 % 1KJ
12,4 кОм ± 1 % 12K4F
10 кОм ± 5 % 10KJ
190 кОм ± 5 % M10J
2,2 МОм ± 10 % 2М2К

Кодированное обозначение номинального сопротивления с допуском
наносится непосредственно на корпус резистора.

Кроме приведенного буквенно-цифрового способа маркировки, для
малогабаритных резисторов применяют маркировку резисторов цветными
полосками по ГОСТ 28883-90 [Приложение III].

Номинальная мощность

Под номинальной мощностью (Ри) понимается наибольшая мощ-
ность, которую резистор может рассеивать в заданных условиях в течение
гарантированного срока службы (наработки) при сохранении параметров в
установленных пределах. Если на резисторе выделяется мощность больше,
чем поминальная, это приведет к перегоранию токопроводящего элемента
(резистор «сгорит»).

Мощность рассеяния Р определяется током /, проходящим через ре-
зистор, и падением напряжения на нем U:

P=IU = PR = U4R. (2.1)

Мощность рассеяния зависит от конструкции резисторов, физических
свойств материалов и температуры окружающей среды. При температуре
окружающей среды больше номинальной необходимо соответственно сни-
жать мощность, рассеиваемую резистором.
Символы для указания мощности рассеяния на условно-графическом
обозначении резисторов (ГОСТ 2.728-74) и связь размеров резисторов с
мощностью рассеяния показаны на рис. 2.2 (на примере резисторов МЛТ).

0,125 Вт

0,25 Вт

Рис. 2.2. Размеры резисторов в зависимости от мошносги рассеяния
и ее указание на условно-графическом обозначении резисторов

Предельное напряжение

При прохождении тока через резистор, на нем падает рабочее напря-
жение. Оно не должно превышать значения, рассчитанного исходя из но-
минальной мощности и номинального сопротивления 7?н:

U<JfCK- (2.2)

Однако при больших номинальных сопротивлениях это напряжение
может достигать таких значений, при которых возможен пробой. Поэтому
для каждого типа резистора, с учетом его конструкции, устанавливается
предельное рабочее напряжение £/Пред.

57ИЛ-резисторы

Конструктивной разновидностью постоянных резисторов являются
5А^7)-резисторы (другое их название ЧИП резисторы).

5ЛЯ)-резисторы (от англ. Surface Mount Devices) предназначены для
технологии SMT (от англ. Surface Mount Technology - технология поверх-
ностного монтажа на печатных платах) [7]. Эта технология является осно-
вой производства современных средств радиоэлекгронной и вычислитель-
ной техники. Она была разработана для удешевления производства и повы-
шения эффективности изготовления печатных плат с использованием
миниатюрных безвыводных электронных компонентов (бМР-компонентов):
резисторов, конденсаторов и т. д.
S.WJ-резисторы - миниатюрные безвыводные резисторы, которые
значительно меньше своих традиционных аналогов. Их внешний вид пока-
зан на рис. 2.3.

Контакты
резистора

Рис. 2.3. Внешний вид £.Ш)-резис1оров

Особенностью таких резисторов является отсутствие проволочных
выводов, которые у обычных резисторов вставляются в предварительно
просверленные отверстия печатной платы. Торцы 5Л/£)-резисторов пред-
ставляют собой контакты (светлые полоски на рис. 2.3), которые припаива-
ются к соответствующим площадкам печатной платы. Это избавляет от
необходимости делать отверстия в печатной плате и повышает эффектив-
ность использования поверхности платы.

Для примера на рис. 2.4 показан фрагмент печатной платы с SMD-
элементами.

Рис. 2.4.5.Ш)-элемен1ы на печатной пл аге
Система обозначений типоразмеров &Ш)-резисторов и номинальных
значений сопротивлений на их корпусах (маркировка) приведена в прил. 2.

Переменные резисторы

Кроме постоянных, находят широкое применение переменные рези-
сторы, т. е. такие, сопротивление которых изменяется. Среди них можно
выделить регулировочные и подстроечные резисторы.

Переменные регулировочные резисторы

Общий вид, схема, конструкция и условно-графическое обозначение
переменного регулировочного резистора показаны на рис. 2.5 [9, 10]. Циф-
рами 1—3 обозначены выводы резистора. Сопротивление переменного рези-
стора указывают между крайними выводами.

Рис. 2.5. Общий вид переменною регулировочною резистора (а),
ею схема (о), конструкция (в) и УГО (г):

1-2 - крайние выводы; 3 - средний вывод, соединенный с подвижным контактом;

4 - резистивная пластина сопротивления; 5 - подвижный щеточный контакт;

6 - подпружиненный токоподвод от среднего вывода к подвижному контакту;

7 - ручка

Функциональная характеристика определяет зависимость сопро-
тивления переменного резистора от угла поворота подвижного контакта.
Наиболее распространенные зависимости: линейная Л, логарифмическая Б
и обратно-логарифмическая В (рис. 2.6).

Для получения такой зависимости подключают к контактам 7 и 3 при-
бор для измерения сопротивлений - омметр. При повороте ручки из одного
крайнего положения до другого определяют сопротивление в промежуточ-
ных точках, затем строят указанные зависимости (рис. 2.6).

Относительное изменение 60
сопротивления, %

20 40 60 80

От носительное изменение
угла поворота. %

Рис. 2.6. Типовые зависимости сопротивления переменною резистора
от положения подвижною контакта (от угла поворота)

Переменный резистор может использоваться в двух вариантах вклю-
чения: потенциометрическом и реостатном.

Потенциометрическое включение

В этом случае к выводам 7-2 переменного резистора подают входное
напряжение 17вх. Выходное напряжение снимается с выводов 7-3.

(7вх

Рис. 2.7. Потенциометрическое включение
переменною регулировочною резистора

Как видно из рис. 2.7, при крайнем нижнем положении подвижного
контакта напряжение (Аых = 0 В. По мере перемещения подвижного контакта
вверх напряжение Lвых увеличивается и при крайнем верхнем положении по-
движного контакта становится равным входному напряжению 6/ВЫх = U*x-
Таким образом, выходное напряжение питания CBbIX будет опреде-
ляться углом поворота ручки переменного резистора и типом функциональ-
ной характеристики J, Ь’, В (рис. 2.6).

Потенциометрическое включение резистора, например, используется
для задатчика скорости регулируемого привода, а также в качестве регуля-
тора громкости радиоприемника. Переменный резистор в гаком включении
называется потенциометром.

Реостатное включение

Показано на рис. 2.8. Используется в тех случаях, когда необходимо
изменять величину сопротивления (тока) в участке электрической цепи.

Рис. 2.8. Реостатное включение Рис. 2.9. УГО переменною резистора
переменною резистора при реостатном включении

В зависимости от положения подвижного контакта 3 относительно
выводов 1-2 будет изменяться величина сопротивления переменного рези-
стора от 0 (контакт 3 находится у контакта 2) до полного номинального со-
противления (контакт 3 находится у контакта /).

Для переменного резистора в реостатном включении допускается ис-
пользовать обозначение, представленное на рис. 2.9.

Подстроечные резисторы

В тех случаях, когда в процессе наладки необходимо подобрать со-
противление в какой-либо электрической цепи, применяют подстроечные
резисторы. Обычно их включают по реостатному варианту. Особенностью
подстроечных резисторов является отсутствие р>чки для вращения по-
движного контакта. Для этого служит углубление (шлиц) под отвертку, с
помощью которой и перемещается подвижный контакт в процессе подбора
требуемой величины сопротивления. После окончания этого процесса
шлиц обычно фиксируется краской.

УГО переменных и подстроечных резисторов показаны в табл. 2.5.

11а рис. 2.10 представлены примеры внешнею вида переменных рези-
сторов [9].

Справочные сведения о постоянных и переменных резисторах приве-
дены в [11-17].
Рис. 2.10. Внешним вид переменных резисторов:
с ручками - регулировочные; без ручек - подстроечные

Нелинейные резисторы

Кроме постоянных и переменных резисторов, в электронной автома-
тике широко применяются полупроводниковые нелинейные резисторы, ос-
новное свойство которых заключается в способности изменять свое элек-
трическое сопротивление под действием управляющих факторов: напряже-
ния, температуры, магнитного поля и др. [13, 14]. Поэтому они часто
используются в качестве датчиков в автоматических устройствах.

Общее УГО нелинейных резисторов показано на рис. 2.11.

Рис. 2.11. У ГО нелинейного резистора:
а - горизонтальное; б - вертикальное
х - обозначение управляющего фактора (температуры - /°; давления -р\
напряжения - I/; напряженности магнитного поля - В и т. д.)

УГО нелинейных резисторов показаны в табл. 2.5.

Варисторы - полупроводниковые резисторы, отличительной особен-
ностью которых является резко выраженная зависимость электрического
сопротивления от приложенного к ним напряжения.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора является симметрич-
ной относительно координатных осей (рис. 2.12). ВАХ показывает, что сопро-
тивление варистора уменьшается с увеличением приложенного напряжения.
Рис. 2.12. Вольт-амперная
характеристика варистора

Варисторы применяют для защиты от перенапряжения в цепях, в ко-
торых могут в процессе работы происходить броски напряжения (напри-
мер. во вторичных обмотках трансформаторов, источниках вторичного пи-
тания, в генераторах импульсного напряжения и т. д.).

Терморезисторы - полупроводниковые резисторы с нелинейной
ВАХ. отличительной особенностью которых является резко выраженная за-
висимость электрического сопротивления от температуры. Существуют
терморезисторы, как с отрицательным, т ак и с положительным температур-
ным коэффициентом сопротивления - позисторы.

Для терморезисторов указывается номинальное сопротивление 7?н -
электрическое сопротивление, значение которого соответствует определен-
ной температуре окружающей среды (при 20 °C).

Терморезисторы используют в системах дистанционного и централи-
зованного измерения и регулирования температур, противопожарной сиг-
нализации, теплового контроля и защиты машин, а также с целью темпера-
турной компенсации ряда элементов электрических цепей.

Магниторезисторы - полупроводниковые резисторы с резко выра-
женной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля.
Регулируя напряженность управляющего магнитного поля или перемещая
резистор в поле постоянного магнита, можно управлять сопротивлением.
Их используют, например, в качестве датчиков угла поворота в специаль-
ных устройствах автоматики и т. д.
Фоторезисторы - полупроводниковые резисторы, сопротивление
которых изменяется в зависимости от их освещенности. Используются
в устройствах автоматики, в которых необходимо обеспечить управление
каким-либо процессом в функции света, например, включить освещение
при наступлении сумерек.

Тензорезисторы - резисторы, сопротивление которых изменяется в
зависимости от приложенного давления. Их часто используют в качестве
датчиков давления, особенно при проведении каких-либо исследований,
связанных с измерением давления.

Условно-графические и буквенные обозначения резисторов, в том
числе нелинейных, приведены в табл. 2.5 (ГОСТ 2.728-74).

Таблица 2.5

Условно-графические и буквенные обозначения резисторов

Название резистора Условно-графическое обозначение Буквенное обозначение
1 2 3
1. Постоянные и переменные резисторы
Резистор. Общее обозначение —1 |— R
Резистор с указанием мощности рассея- ния, например. 0.125 Вт 1 |~ R
Переменный резистор (потенциометриче- ское включение) RP
Переменный резистор (реостатное включение) RR
Подстроечный резистор -iz R
Подстроечный резистор (реостатное включение) ——1 |— R
Окончание табл. 2.5

I 2 3
2. Нелинейные резисторы Варистор 1 У' \ R U
Терморезистор (позистор) -Уи RK
Терморезистор (термистор) RK
Маг нт орезистор —/-г R
Фоторезистор —/в R
Тснзорезистор или Ч* R

Соединение резисторов

Соединение резисторов может быть последовательным, параллель-
ным и смешанным.

1. Последовательное соединение

Резисторы соединены в цепочку друг с другом (рис. 2.13):

Рис. 2.13. Последовательное соединение резисторов

Результирующее (общее) сопротивление такой цепочки резисторов
находят по формуле:

= R] + Ri 4 Rt, + ... + Rn. (2.3)
2. Параллельное соединение

При параллельном соединении двух резисторов (рис. 2.14) результи-
рующее сопротивление определяется по формуле:

06111

(2.4)

если R{

- Т?2, го Аобщ — R\.

Рис. 2.14. Параллельное
соединение двух резисторов

При параллельном соединении нескольких резисторов (рис. 2.15) об-
щее сопротивление (эквивалентное) цепочки будет меньше любого из со-
противлений резисторов данной цепочки.

Рис. 2.15. Параллельное соединение нескольких резисторов

В этом случае удобно воспользоваться понятием проводимости цепи
(G), которая является величиной, обратной сопротивлению G = —. Тогда

проводимость всей цепи <тОбщ =

определяется как сумма проводимостей

ветвей цепи, т. е.

6\,бщ — G] + Gt + G?> + ... + Czn (2.5)

или

^общ

(2.6)
(при параллельном соединении складывают не сопротивления, а проводи-
мости). Если цепь состоит из п параллельно соединенных одинаковых со-

v D D

противлении к, то ло6ш = — .
п

3. Смешанное соединение

Пример такого соединения показан на рис. 2.16.

В этом случае целесообразно определить результирующее сопротив-
ление последовательно соединенных резисторов и Я?, тогда схема
сведется к параллельному соединению двух резисторов 7?Обш1 и тогда:

п _ *3 / П 7\

Лобщ“п _!-/?'

ЛооШ1 +

Рис. 2.16. Смешанное соединение резне!оров

Применение резисторов

1. Задание тока в цени

Задание требуемого тока в цепи выполняется на основе закона Ома.

—|—CZ3—г-
—

Рис. 2.17. Участок электрической цепи с резистором

Для участка электрической цепи с резистором справедливы следую-
щие соотношения (закон Ома):

г UR

И = (2.8)

или

« = -Л, (2.9)

1 R
где Ur - напряжение, приложенное к резистору (В);

/я - ток резистора (А);

А - сопротивление резистора (Ом).

Примечание. Для запоминания этих простых соотношений пользуйтесь тре-
угольником Ома (рис. 2.18) [18).

Рис. 2.18. Треугольник Ома

Для определения какого-либо параметра закройте его пальцем и по-
лучите требуемое соотношение. Еще лучше это делать мысленно.

Пример

Пусть необходимо задать в цепи гок 10 мА при питании от источника
напряжения 12 В.

Требуемое сопротивление R по формуле (2.9) будет:

II I

R = — = —= 1,2 • Ю30м = 1,2 кОм .

7 10-10 3

Примечание. Полезно запомнить, что при делении напряжения (В) на ток
(мА), получается сопротивление (кОм). При делении напряжения (В) на сопротивление
(кОм) получается ток (мА).

Затем необходимо задать допуск на величину сопротивления, выбрав
его из трех значений: ±20 %, ±10 % и ±5 % (меньшие допуски необходимы
для резисторов в специальных случаях). Пусть выбран допуск ±10 %, то-
гда расчетное значение R = 1,2 кОм необходимо проверит ь по ряду Е 12 и
выбрать ближайшее к расчетному значению из этого ряда. Из табл. 2.1
видно, что такое значение (1,2 кОм) в ряду Е12 имеется. Тогда принимаем
R = 1,2 кОм ± 10 %. Далее необходимо определить мощность рассеяния
этого резистора по формуле (2.1):

P = UR -IR =12-1010 3 = 120-10"3 Вт = 120 мВт.
К к

Примечание. Если умножается напряжение (В) на ток (мА), получаем мощ-
ность (мВт).

С учетом ряда мощностей рассеяния резисторов и для обеспечения за-
паса выбираем резистор с мощностью рассеяния 250 мВт.
2. Делитель напряжения

Пусть требуется получить напряжение 5 В от источника питания с
напряжением Un = 12 В. Используем делитель напряжения из двух резисто-
ров, соединенных по схеме на рис. 2.19, а.

Рис. 2.19. Делитель напряжения:

а - без учета нагрузки; б - с учетом нагрузки

Рис. 2.20. Делитель напряжения

с потенциометром

Выходное напряжение делителя определяют но формуле:

С/вых = R1 £4. (2.10)

вых п 7

Пояснение: (Лых = Д-Яд, /д = ——4—, где 1Л - ток делителя.

+ R-,

Расчет делителя по схеме (рис. 2.19, а) выполняют в следующей после-
довательности: в начале выбирают допустимый ток делителя /д, затем опре-
^вих ^п-^ввх

деляют сопротивления резистора R? = В1,1Х и резистора = п ——. Далее
4 * л

определяют все парамегры для резисторов Д и4 аналогично приведенному
ранее примеру (рис. 2.19, а). С учетом нагрузки /?(1 (рис. 2.19, б) делитель рас-
считывают следующим образом. При известном сопротивлении R» и гребуе-

/ _ вых

мом напряжении с вых определяют ток нагрузки ~ р • Для уменьшения
влияния изменения сопротивления нагрузки /?„ на величину выходного
напряжения выбирают ток делителя /д » /„. Желательно, чтобы это соотно-
шение было не менее 10, тогда = 10/н. Поэтому такой делитель можно ис-
пользовать только при относительно небольших токах нагрузки Далее рас-
чет выполняется аналог ично. Если сопротивление нагрузки RH не изменяется,
оно можез выполнять функцию резистора Ri (как на рис. 2.19, а), что обеспе-
чит меньшее потребление тока от источника питания Un.
Используя переменный резистор в потенциометрическом включе-
нии. можно построить делитель с переменным коэффициентом деления
(рис. 2.20). При изменении положения движка потенциометра изменяется
соотношение сопротивлений резисторов R\ (верхней части) и 7?? (нижней
части), а, следовательно, изменяется выходное напряжение (7Вых в соответ-
ствии с формулой (2.10).
Глава 3. КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсаторы наряду с резисторами широко используются в элек-
тронных устройствах, например, фильтрах, генераторах, цепочках форми-
рования импульсов, как элементы межкаскадной связи в усилителях и т. д.

Конденсатор (от лат. condensare - «уплотнять», «сгущать») - элемент
электрической цепи, предназначенный для использования его электриче-
ской ёмкости [19]. Общее УГО конденсатора - чк

В электрических схемах конденсаторы обозначают буквой С. Основа
конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между кото-
рыми находится изоляционный материал - диэлектрик (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схематичное представление конденсатора

Существует несколько типов изоляционных материалов, используе-
мых в конденсаторах, в том числе, керамика, слюда, тантал и полистирол.
Широко используются в производстве конденсаторов также такие изоля-
торы, как воздух, бумага и пластик.

Понятие «емкость конденсатора» характеризует его способность
накапливать электрический заряд. Так, по определению емкости, заряд на
обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Еди-
ницей измерения емкости является фарад (Ф). Если конденсатор сохраняет
заряд один кулон при разности потенциалов между его обкладками один
вольт, то он имеет емкость величиной в один фарад [20]. В действительно-
сти, эта единица слишком велика для большинства практических приме-
нений, поэтому обычно пользуются меньшими единицами: миллифарад
(мФ - 10'3 Ф), микрофарад (мкФ - 10 б Ф), нанофарад (нФ - 10'9 Ф) и пико-
фарад (пФ - Ю’2 Ф). Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ем-
костью до десятков и сотен фарад.

Емкость конденсатора С, состоящего из двух плоских пластин, опре-
деляется ио формуле, известной из курса физики:
где ео = 8,854-10 ' Ф/м = 0.0885 пФ/см - элеклрическая постоянная;

8 - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

С учетом численного значения е0. можно записать:

с = 0,0885(Пф), (3.2)

где S - площадь обкладок конденсатора - см2;

d- толщина диэлектрика (расстояние между обкладками) - см.

Изменение любого из этих трех параметров (£. 5. d) используется для
построения емкостных датчиков, которые широко применяются в промыш-
ленной автоматике.

В отличие от резистора конденсатор является энергоемким элемен-
том. Он может запасать энергию, величина которой связана с параметрами
конденсатора формулой:

С-U2

>ГС=^-, (3.3)

где /Г. - энергия, накопленная в конденсаторе в джоулях (Дж);

С - емкость конденсатора (Ф);

U - напряжение (В).

Из этой формулы следует, что энергия электростатического поля кон-
денсатора зависит от емкости конденсатора С и приложенного напряже-
ния U. Поэтому напряжение на конденсаторе не может изменяться скач-
ком, поскольку это привело бы к скачкообразному изменению энергии, что
противоречит закону сохранения энергии.

Конденсатор - элемент, который обладает разными свойствами в це-
пях постоянного и переменного токов. Так, в цепи постоянного тока кон-
денсатор может проводить ток только в моменты переходных процессов
(происходит заряд или перезаряд конденсатора). По окончании переход-
ного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разде-
лены диэлектриком. Переменный ток он проводит, что связано с цикличе-
ской перезарядкой конденсатора, но при этом оказывает переменному току
сопротивление X (Ом), которое зависит от частоты

/(Гц) и емкости С (Ф):

1 1

c-coC-27t/C’ (3'4)

где со = 2 л / - угловая частота.
Для частоты сети / = 50 Гц, со ~ 314 С1.

На этом основано использование конденсатора в цепях переменного
тока в качестве элемента, на котором падает излишек напряжения, по отно-
шению к нагрузке. Но, в отличие от резистора, который также может ис-
пользоваться для этой цели, конденсатор практически не потребляет энер-
гию (т. е. не нагревается).

Классификация конденсаторов выполняется по большому количеству
признаков. От метим только основные из них. Так по назначению конден-
саторы разделяются на две разновидности: общего назначения, т. е. наибо-
лее широко применяемые, и специального назначения. По характеру изме-
нения емкости они делятся на постоянные, переменные и подстроечные.
Причем последние две разновидности используются в основном в прием-
ной и специальной аппаратуре. Конденсаторы различаются по способу
монтажа', для навесного, печатного и поверхностного монтажа. По этому
признаку можно указать и специальные конденсаторы (с выводами под
винт и с защелкивающимися выводами).

Наиболее важными техническими характеристиками конденсаторов
являются: номинальная емкость и допускаемое отклонение емкости; но-
минальное напряжение; тангенс угла потерь и температурный коэффици-
ент емкости.

Номинальная емкость Си - емкость, значение которой обозначено на
конденсаторе или указано в сопроводительной документации. Номинальные
значения емкости стандартизованы и выбираются из определенных рядов
чисел (аналогично резисторам) путем умножения или деления их на 10", где
п - целое положительное или отрицательное число. Наиболее употребляе-
мые ряды Е6, Е12 и Е24 номинальных емкостей приведены в табл. 3.1 [5J.

Тиб. тци 3.1

Ряды номинальных значений емкостей (Е6. Е12, Е24)

Е6 Е12 Е24 Е6 Е12 Е24
1 1 1 3,3 3.3 3,3
1,1 3,6
1,2 1,2 3.9 3.9
1,3 4.3
1,5 1.5 1,5 4.7 4.7 4.7
1,6 5,1
1,8 1,8 5,6 5.6
2 6,2
2.2 2.2 2.2 6.8 6.8 6,8
2.4 7,5
2.7 2.7 8,2 8.2
3 9,1
Допускаемое отклонение (%) показывает, на сколько может отли-
чаться фактическое значение емкости от номинального. Так. для ряда Е6 -
допускаемое отклонение ±20 %, для Е12 - ±10 %, для Е24 -±5 %.

Номинальное напряжение (1),,). Это напряжение, обозначенное на
конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может ра-
ботать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением пара-
метров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от кон-
струкции конденсатора и свойств, применяемых материалов. 11ри эксплуа-
тации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.
Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры (как правило,
более 70...85 °C) допускаемое напряжение снижается. Для обеспечения
надежной работы фактическое напряжение, приложенное к конденсатору в
схеме, не должно превышать значения 0,6-0,7 (7Н.

Если в цепи, где должен быть установлен конденсатор, имеется как
постоянная, так и переменная составляющая напряжения, то необходимо,
чтобы сумма постоянной составляющей и амплитуда переменной составля-
ющей так же не превышала значения 0,6-0,7 UH.

Тангенс угла потерь (tg 6). Характеризует активные потери энергии
в конденсаторе и определяется, в основном, применяемым диэлектриком.
Величина, обратная тангенсу угла потерь, называется добротностью кон-
денсатора.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Это параметр, при-
меняемый для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью
емкости от температуры. Определяет относительное изменение емкости
от температуры при изменении ее на один градус Цельсия.

ТКЕ может быть положительным, отрицательным или близким к
нулю. Этот параметр важен для схем генерации колебаний (например, в ра-
диотехнике, где применением конденсаторов с разнополярными ТКЕ доби-
ваются значительного снижения зависимости емкости колебательного кон-
тура от температуры).

Условные обозначения и маркировка конденсаторов

Буквенно-цифровое обозначение конденсаторов широкого примене-
ния согласно ГОСТ Р 57440-2017 состоит из букв и цифр. Первый элемент -
буква или сочетание букв - обозначают подкласс конденсатора: К - посто-
янной емкости; КП - переменной емкости; КТ - подстроечные; КН - нели-
нейные. Второй элемент обозначает 1 руину конденсаторов в зависимости
от материала диэлектрика (табл. 3.2). Третий элемент пишется через дефис
и соответствует порядковому номеру разработки.
Обозначение группы конденсаторов постоянной емкости в зависимости
от материала диэлектрика (ГОСТ Р 57440'2017)

Группа конденсаторов Обозначение труппы
Керамические на номинальное напряжение ниже 1600 В 10
Керамические на номинальное напряжение 1600 В и выше 15
Тонкопленочные 26
Оксидно-электролитические алюминиевые 50
Оксидно-электролитические танталовые:
- фольговые; 51
- объемно-пористые 52
Оксидно-полупроводниковые 53
С двойным электрическим слоем (ионисторы) 58
Вакуумные 61
Полиэтиленнафталатные 70
11ол иэтилентерефталатные 73
Комбинированные* 75
Полифениленсульфидные 76
Полипропиленовые 78

* Комбинированный диэлектрик состоит из определенного сочетания слоев различных
материалов.

В следующих элементах обозначения последовательно указывают:
конструктивное исполнение (или значение основных параметров); клима-
тическое исполнение: обозначение документа на поставку. Сокращенное
условное обозначение конденсаторов состоит из элементов 1, 2 и 3. Для
примера далее приведено полное и сокращенное обозначения керамиче-
ского конденсатора постоянной емкости варианта «в» с порядковым номе-
ром разработки 47 на номинальное напряжение 50 В с номинальной емко-
стью 1 мкФ и допускаемым отклонением ± 20 %, группа по температурной
стабильности НЗО, поставляемого по ОЖО.460.174 ТУ:

• полное обозначение'.

Конденсатор К10-47в-50В-1мкФ ± 20 %-НЗО ОЖО.460.174 ТУ;

• сокращенное обозначение'.

К10-47.

Основные условно-графические обозначения конденсаторов приве-
дены в табл. 3.3 [21].
Условно-графические обозначения конденсаторов

Обозначение но ГОСТ 2.728-74 Применение
1 Общее обозначение конденсатора постоянной емкости
4-1 Общее обозначение поляризованного конденсатора
4 | Оксидный (электролитический) конденсатор, поляризованный (знак «+» можно опускать)
Оксидный (электролитический) конденсатор, неполяризованный
и к Конденсатор, емкость которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения (вариконд)

Маркировка на конденсаторах

Маркировка на конденсаторах может быть буквенно-цифровая, со-
держащая сокращенное обозначение конденсатора, номинальное напря-
жение, емкость, допуск, группу ТКЕ, дату изготовления, либо цветная.

В зависимости от размеров конденсаторов применяются полные или
сокращенные (кодированные) обозначения номинальных емкостей и их до-
пускаемых отклонений.

Полное обозначение номинальных емкостей состоит из цифровою
значения номинальной емкости и обозначения единицы измерения (пФ -
пикофарад, мкФ - микрофарад, Ф - фарад).

Кодированное обозначение номинальных емкостей состоит из трех
или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву [6J.

Буква из русского или латинского алфавита обозначает множитель,
составляющий значение емкости, и определяет положение запятой десятич-
ного знака (так же, как и у резисторов).

Буквы р (П), п (Н), р (М), т (И), F (Ф) обозначают множители 1()12,
ПУ9, НУ6, 10'3и 1.

Например, 2,2 нФ обозначается 2р2; 1500 пФ - 1и5; 0,1 мкФ - pl;
10 мкФ - Юр; 1 Ф - 1?’0.

В табл. 3.4 в компактной форме представлены примеры полного и ко-
дированного обозначения номинальной емкости конденсаторов.
Обозначение номинальной емкости

Пример обозначения номинальной емкости Единицы измерения емкости Буква алфавита латинского (или русского) Множитель, определяющий положение запятой десятичного знака
Полное Кодированное
2,2 пФ 2р2 (2П2) нФ пикофарад Р(П) 10'12
1500 пФ 1л 5 (1Н5) п(Н) ю-9
0,1 мкФ //1 (Ml) мкФ микрофарад м(М) КГ
10 мкФ 10/7 (ЮИ) т(И) 10'3
1 Ф 1Я)(1Ф0) Ф фарад F (Ф) 1

Для маркировки номинальных напряжений конденсаторов исполь-
зуют следующий буквенный код (табл. 3.5).

Таблица 3.5

Буквенный код для обозначения номинальных напряжений конденсаторов

Номинальное напряжение Буквенный код Номинальное напряжение Буквенный код Номинальное напряжение Буквенный код
1,0 1 16 Е 125 Р
1,6 R 20 F 160 Q
2.5 М 25 G 200 Z
3,2 А 32 Н 250 W
4,0 С 40 S 315 X
6.3 В 50 J 350 т
10 D 63 К 400 Y
80 L 450 и
100 N 500 V

На электрических схемах номинальная емкость конденсаторов
обычно указывается в микрофарадах (мкФ) и пикофарадах (пФ), но нередко
в нанофарадах (нФ). При емкости не более 0,01 мкФ, емкость конденсатора
указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу из-
мерения, т. е. «нФ» опускают. При обозначении номинала емкости в других
единицах указывают единицу измерения.

Связь между обозначениями емкости иллюстрируется следующим
примером: 1000 пФ = 1 нФ = 0,001 мкФ = 1-10'9 Ф. В прил. 3 приведены
множители и наименование приставок для образования десятичных крат-
ных и дольных единиц физических величин [20].
Для оксидных (электролитических) конденсаторов, а также для высо-
ковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала емко-
сти. указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или ки-
ловольтах (кВ). Например, так: «10 мкФ 10 В».

Цветная кодировка применяется для малогабаритпых конденсаторов
с номинальным напряжением до 63 В (см. прил. 4).

Конструктивные разновидности конденсаторов

Конденсаторы отличаются большим разнообразием конструктивного
исполнения, что определяется их назначением, применяемым диэлектри-
ком, рабочим напряжением, габаритами и г. д.

При выборе конденсатора необходимо принимать во внимание вели-
чину его емкости, рабочее напряжение, допуск, сопротивление утечки, гео-
метрические размеры, расположение и конструкцию выводов, способ креп-
ления.

Ранее конструктивные особенности постоянных конденсаторов отра-
жались в их обозначениях. Например, БМ - бумажный малогабаритный;
МГБ - металлобумажный герметизированный; МБМ - металлобумажный
малогабаритный и т. д. В настоящее время (ГОСТ 57440-2017) обозначения
групп конденсаторов отражают материал диэлектрика (табл. 3.2), что вли-
яет на конструкцию конденсатора.

Рассмотрим особенности некоторых наиболее широко применяемых
постоянных конденсаторов, к которым можно отнести оксидные, малогаба-
ритные керамические и SMD конденсаторы для поверхностного монтажа.
Особое место в подклассе постоянных конденсаторов занимают специаль-
ные конденсаторы большой емкости - ионисторы.

Оксидные конденсаторы

Конденсаторы, у которых в качестве диэлектрика используется по-
лученный электролитическим путем оксидный слой, находящийся в кон-
такте с электролитом, называются оксидными (электролитическими)
[22J. Отличительной особенностью оксидных конденсаторов является
большая величина емкости при сравнительно малых размерах и весе кон-
денсатора.

Конструктивно оксидные конденсаторы представляют собой две алю-
миниевые обкладки, одна из которых (положительный электрод) покрыва-
ется тонким оксидным слоем, а вторая (необработанная) служит для кон-
такта с электролитом, который и является вторым электродом. Диэлектрик
образуется окислением положительной обкладки. Слой окисла является
тонким и хорошим изолятором. Большое значение емкости электролитиче-
ского конденсатора достигается за счет малой толщины оксидной пленки.
Оксидный конденсатор является поляризованным, имеет положительный и
отрицательный выводы.

Современные малогабаритные оксидные конденсаторы выполняются,
в основном, с использованием тантала или алюминия. Конденсаторы с алю-
минием значительно дешевле и имеют более широкое применение. Тем не
менее, танталовые обладают существенно большей объемной эффективно-
стью и имеют хорошие электрические характеристики.

Танталовые конденсаторы (рис. 3.2) имеют в качестве диэлектрика
оксид тантала. Отличаются высокой надежностью, хорошими частотными
характеристиками, широким диапазоном рабочих температур, но более до-
рогие. Положительный вывод таких конденсаторов делается длиннее отри-
цательного. Они широко используются в электронной аппаратуре, где не-
обходим высокий уровень емкости при небольших габаритах.

Рис. 3.2. Танталовые оксидные конденсаюры

Недостатками оксидных конденсаторов являются: обязательное со-
блюдение полярности при включении в схему (корпус конденсатора явля-
ется отрицательным полюсом), невозможность использования в цепях пе-
ременного тока, большой ток утечки (проводимость оксидной пленки), не-
стабильность емкости в зависимости от внешних условий и невозможность
изготовления конденсаторов на рабочее напряжение, большее чем 600 В,
что связано с диэлектрической прочностью оксидной пленки. Выпускае-
мые ранее оксидные конденсаторы могли взрываться при ошибочном мон-
таже (при обратной полярности) или пробое диода в выпрямителях.

Современные оксидные конденсаторы, предназначенные для работы
в схемах с транзисторами и интегральными микросхемами, разрушаются
без в}рыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней
крышки (рис. 3.3).

Разрушение возможно из-за нарушения режима эксплуатации (темпе-
ратуры, напряжения, полярности) или старения.

Оксидные конденсаторы работают нормально в цепях постоянного
токи и в цепях с пульсирующим напряжением, если на постоянную состав-
ляющую напряжения накладывается переменная составляющая, причем
максимальное значение амплитуды переменной составляющей не должно
превышать величины постоянной составляющей, и. кроме того, сумма
напряжений постоянной и амплитуды переменной составляющих не
должна превышать величину номинального рабочего напряжения, указан-
ного на конденсаторе.

Рис. 3.3. Вид оксидных конденсаторов
с разрывающемся верхней крышкой

По этим причинам область применения электролитических конденса-
торов ограничена цепями постоянного или пульсирующего напряжения
при невысоких частотах (например, в фильтрах после выпрямителей).

Необходимо отметить, что существуют и неполярные оксидные кон-
денсаторы. в которых слой оксида формируется на обеих обкладках. Из-за
этого неполярные оксидные конденсаторы имеют значительно больший
размер, чем полярные аналогичной емкости. Такие конденсаторы, рассчи-
танные на работу в цепях переменного тока с частотой 50-60 Гц, могут ис-
пользоваться как пусковые конденсаторы для асинхронных электродвига-
телей [23].

Современные малогабаритные конденсаторы

Современные устройства автоматики выполняют на основе транзи-
сторов или интегральных микросхем, для питания которых используется
относительно низкое напряжение 5-15 В. В этой связи конденсаторы для
таких устройств применяют с низким рабочим напряжением, что позволяет
значительно уменьшить их габариты.

Рассмотрим некоторые особенности конструкций малогабаритных
конденсаторов.

Бумажные и пластиковые конденсаторы представляют собой ру-
лоны фольги, разделенные диэлектриком.

Бумажный диэлектрик имеет меньшее сопротивление, чем пластико-
вая диэлектрическая пленка, поэтому последняя в настоящее время исполь-
зуется чаще. Пластиковая пленка позволяет нанести металлическую пленку
прямо на нее. Это уменьшает расстояние между обкладками, и в результате
конденсатор получается компактнее.

Керамические конденсаторы имеют в качестве материала диэлек-
трика керамику. Отличаются высокой функциональностью по рабочему
напряжению, надежностью, низкими потерями и дешевизной. Диапазон ем-
костей их варьируется от нескольких пикофарад до примерно 0,1 мкФ. Яв-
ляются одним из наиболее широко используемых типов конденсаторов
(рис. 3.4).

Рис. 3.4. Керамические
иизковолыные конденсаторы

Рис. 3.5. SMD конденсатор
на плате

Как отмечалось в гл. 2, в настоящее время широко применяют поверх-
ностный монтаж, для которого используют SMD конденсаторы. Пример та-
кого конденсатора в увеличенном виде, установленною на печатной плате,
показан на рис. 3.5. Особенности маркировки SMD конденсаторов приве-
дены в прил. 4.

Ионисторы

Ионистор является относительно новым электронным элементом. Не-
смотря на то, что он был предложен в США в 1960-х годах, практическое
применение получил позднее в 1970-1980 годах после совершенствования
технологии изготовления. С учетом его свойств для практики, совершен-
ствование ионисторов интенсивно продолжается и в настоящее время.

Ионисторы - это электронные устройства, которые используются
для хранения очень больших количеств электрического заряда. Они имеют
и другие названия: суперконденсаторы, двухслойные конденсаторы или
ультраконденсаторы. Как известно (формула (3.1)), электрическая ёмкость
конденсатора будет тем больше, чем больше площадь его обкладок и чем
меньше расстояние между ними. Это обстоятельство оригинально исполь-
зовано в конструкции ионисторов.
Из электрохимии известно, что при погружении металла в воду на его
поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, со-
стоящий из разноименных электрических зарядов - ионов и элекгронов.
Между ними действуют силы взаимного притяжения, гго заряды не могут
сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и ионов металла.
Двойной электрический слой представляет собой конденсатор. Сосредото-
ченные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок с очень малым
расстоянием между ними [24].

Ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с
очень большой площадью, на поверхности которых под действием прило-
женного напряжения (при зарядке) образуется двойной электрический слой
с электронами на одной поверхности, и с положительными ионами на дру-
гой, как показано на рис. 3.6 [25].

Токоприемник

Изоляция

Рис. 3.6. Двойные элекг рические слои
на г раницах электрод - электролит

После зарядки ионы и электроны начггнают перетекать навстречу друг
другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накоплен-
ный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет. Чтобы
этому помешать, между электродами вводится разделительный слой - се-
паратор. Он может состоять из различных тонких пластиковых гглеггок, бу-
маги и даже ваты. В зарубежной литературе ионистор называют сокра-
щённо EDLC. что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, и
по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем [26].

Для получения свойственных ггонисторам больших емкостей в них
применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую по-
верхность пор при малых внешних размерах. Так, например, в качестве та-
кого материала стали использовать обычный активированный уголь.

Это древесный уголь, который после специальной обработки значи-
тельно увеличивает свою пористость. Площадь поверхности пор одного
сантиметра такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость
двойного электрического слоя на них - десяти фарад! При этом толщина
электрического слоя составляет очень малую величину, равную 1 ...5 нано-
метрам (нм). Ёмкости, достигаемые с использованием этой технологии, мо-
гут составлять 12000 F и более. Для сравнения, ёмкость всей Земли состав-
ляет всего около 710 мкФ, что более чем в 15 миллионов раз меньше ёмко-
сти EDLC. Однако, поскольку углерод не является хорошим изолятором, это
приводит к ограничению максимального рабочего напряжения до 3 В [27].

Для сравнения на рис. 3.7 схематически показаны структуры обыч-
ного конденсатора и ионистора. Упрощенная конструкция ионистора пока-
зана на рис. 3.8 [24].

Рис. 3.7. Сравнение структур конденсатора и ионистора

Рис. 3.8. Упрошенная конструкция ионистора

В этой конструкции ионистор состоит из двух металлических пла-
стин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уло-
жен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный
слой вещества, не проводящего электроны - сепаратор. Назначение сепара-
тора - не допустить короткого замыкания электродов. Все это пропитано
электролитом.

Электролит ионисторов может быть не только водным, по и органи-
ческим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим
внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них офаничено 1 В.
Ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким
внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2...3 В.

В основе работы суперконденсатора лежит физический процесс, а не
химическая реакция, как это свойст венно для аккумуляторов. Ионистор за-
пасает энергию за счет электростатических зарядов, которые образуются на
электродах и обкладках, создающих двойной электрический слой между
электролитом и электродами. Данный процесс легко обратим. Поэтому су-
перконденсаторы быстро и легко отдают энергию. Они также выдерживают
сотни тысяч циклов заряда-разряда, что не приводит к каким-либо измене-
ниям в показателях работы.

Основными характеристиками ионисторов являются:

• емкость (Фарад - Ф);

• наибольший ток разряда (А);

• внутреннее сопротивление (Ом);

• номинальное напряжение (В);

• время разряда.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

• малое время заряда и разряда (меньше, чем 2 мин), поэтому иони-
стор можно быстро зарядить и использовать, тогда как на заряд
аккумуляторных батарей уходит значительное время;

• количество циклов заряд/разряд - более 100 000;

• не требуют обслуживания;

• небольшой вес и габариты;

• для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

• работают в широком диапазоне температур (-40...+70 °C). Од-
нако при температуре больше +70 °C ионистор, как правило, раз-
рушается;

• длительный срок службы (10-20 лет).

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести:

• высокую стоимость (в 20 раз выше, чем у Li-ion аккумуляторов)
[27];

• довольно малое напряжение на одном элементе ионистора (при
необходимости соединяют последовательно, как батарею);

• необходимость соблюдать полярность, поскольку ионистор явля-
ется полярным элементом.

Ионисторы рассчитаны на работу в цепях постоянного и пульсирую-
щего тока относительно низкой частоты, во избежание перегрева. На элек-
трических схемах УГО и буквенно-цифровое обозначение ионисторов та-
кие же, как у оксидного (электролитического) конденсатора, и отличить их
можно только по величине номинальных параметров.

Признаками ионистора являются большая величина емкости (в фара-
дах) и низкое напряжение (от 1 до 5 В). Электролитических конденсаторов
с такими параметрами не бывает. Из принципа их работы следует, что ио-
нисторы не способны функционировать при большом напряжении. Пример
обозначения параметров ионистора на его корпусе показан на рис. 3.9 [30].
Рис. 3.9. Ионистор СКФ-600-2В8
с параметрами 2.8 В. 600 Ф

Возможные применения EDLC - это сотовые телефоны, ноутбуки,
электромобили и все другие устройства, которые в настоящее время рабо-
таю! на батареях. Наиболее часто они используются как аварийный или ре-
зервный блок питания для таймера или микросхем памяти в различных
устройствах, в том числе в программируемых контроллерах. Самым суще-
ственным преимуществом, с практической точки зрения, является их очень
быстрая скорость перезарядки - это означает возможность заряжать элек-
трический автомобиль до полной зарядки в течение нескольких минут [27].
Они уже применяются на электротранспорте, электроавтомобилях, в част-
ности, для запуска двигателя бензинового автомобиля (мощный ионистор
включается параллельно аккумулятору) [28].

Так, например, разработанные и запущенные в производство отече-
ственным концерном «Вега» суперконденсаторные модули «Феникс» со
сроком службы 12 лет намечено устанавливать на автомобили Ульянов-
ского автозавода. Это позволит обеспечить гарантированный запуск двига-
теля при низких отрицательных температурах (до минус 50 градусов, по
другим данным - до минус 65) с разряженным обычным аккумулятором
[29]. Далее приведены характеристики некоторых суперконденсаторов Фе-
никс [30].

Суперконденсатор СКФ-600-2В8

Номинальная ёмкость: 600 Ф
Номинальное напряжение: 2,8 В
Максимальный пиковый ток 288 А
Максимальная запасаемая энергия 0,65 Wh
Габаритные размеры: I) 35 мм, L71 мм
Вес: 90 г
Суперконденсатор СКФ-50-2В7

Номинальная емкость: 50 Ф
Номинальное напряжение: 2,7 В
Максимальный пиковый ток 35,5 А
Максимальная запасаемая энергия 0.05 Wh
Габаритные размеры: D 18, L40 мм
Вес: 11,5 г

Разработчики ионисторов стараются постоянно их модернизировать и
повышать удельную емкость. Очевидно, что в будущем суперконденсаторы
полностью заменят аккумуляторы. Результаты исследований показали, что
новый гип ионистров уже сегодня превосходит ио функциональности свои
аналоги в несколько раз [27]. Использование суиерконденсаторов позволяет
внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспек-
тиве предусмотрено расширение сфер применения таких устройств для от-
раслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Перемениые конденсаторы

В радиоприемной и измерительной аппаратуре (различные генераторы
синусоидальных колебаний и т. п.) необходимо производить настройку ко-
лебательных контуров на ту или иную частоту. Для этой цели традиционно
использовались конденсаторы переменной емкости, состоящие из блоков
неподвижных и подвижных пластин. Последний, поворачивается с помо-
щью рукоятки и тем самым изменяет площадь взаимодействия блоков непо-
движных и подвижных пластин и, как следствие, изменяет емкость такого
конденсатора.

В настоящее время, благодаря развитию полупроводниковой техники,
появились полупроводниковые приборы, которые могу г выполнять функ-
ции переменных конденсаторов с электрическим управлением. К таким
приборам относятся варикапы и вариконды.

Варикапы

Одной из разновидностей конденсаторов переменной емкости с элек-
трическим управлением являются варикапы - полупроводниковые диоды с
большой площадью /^-//-перехода [31, 32].

Варикап - от англ, vari (able) - «переменный» и cap (acitance) - «элек-
трическая емкость». Варикап представляет собой специальный полупро-
водниковый диод, барьерная емкость запертого p-л-иерехода которого мо-
жет изменяться, при изменении приложенного к переходу обратного напря-
жения, от единиц до сотен пикофарада. Изменение ширины запорного слоя
эквивалентно изменению ширины диэлектрика. Этим свойством обладает
и обычный диод в запертом состоянии, но диапазон изменения емкости его
перехода оказывается значительно меньше. УГО варикапа имеет следую-
щий вид:

Катод

41-

Буквенное обозначение варикапа такое же, как полупроводникового
диода 17).

Варикапы применяют в качестве электрически управляемой емкости
в колебательных контурах для их настройки на заданную частоту (прием-
ники, генераторы), в частотно-избирательных цепях, в устройствах деле-
ния и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовра-
щателях и др.

Такие широкие применения варикапов связаны с их хорошими харак-
теристиками: высокой стабильностью емкости, малыми потерями и малым
ТКЕ, что позволяет использовать варикапы даже на очень высоких частотах,
где емкость конденсатора может составлять единицы и доли пикофарада.

В частности, применение варикапов в современных телевизорах и
приемниках дает возможность запомнить в цифровой форме напряжение
настройки на какую-то станцию. При нажатии соответствующей кнопки
из запоминающего устройства выбирается код настройки. Он поступает
на цифро-аналш овый преобразователь, с выхода которого напряжение
настройки подается на варикап, что обеспечивает требуемое значение ем-
кости, соот ветствующее ранее выбранной станции.

Вариконд

Второй разновидностью конденсаторов переменной емкости с элек-
трическим управлением является вариконд.

Вариконд - электрический конденсатор, емкость которого нелинейно
изменяется в широких пределах в зависимости от напряжения, приложен-
ного к его обкладкам. В качестве диэлектрика применяется специальная ке-
рамика, обладающая свойствами сегнетоэлектрика. Диэлектрическая про-
ницаемость такого материала зависит от напряженности электрического
поля, в котором он находится [33. 34J.

Название вариконд происходит от англ, vari (able) - «переменный» и
cond (enser) - «конденсатор». УГО вариконда имеет следующий вид:
Буквенное обозначение вариконда такое же, как у конденсатора С.

Вариконды выпускаются с номинальной емкостью от 10 пф до деся-
тых долей микрофарада. Их емкость может изменяться в 4-8 раз. Они от-
личаются высокой механической прочностью и влагоустойчивоетью, но их
недостатками являются - нестабильность емкости и 01'раниченный диапа-
зон рабочих частот и температур.

Вариконды применяют в усилителях переменного тока, умножителях
частоты и других устройствах.

Для сравнения на рис. 3.10 показаны вольт-фарадные характеристики
варикапа - а и вариконда - б, представляющие графические зависимости
емкости С таких конденсаторов от приложенного напряжения и.

Рис. 3.1U. Вольт-фарадные характеристики:
а - варикапа; б - вариконда

С'оединенне конденсаторов

Подобно резисторам конденсаторы можно соединять последова-
тельно, параллельно и последовательно-параллельно.

/. Последовательное соединение

Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов вычис-
ляется подобно общему сопротивлению параллельно соединенных резисто-
ров:

или

(3.5)

Рис. 3.11. Последовательное
соединение конденсаторов
Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, вхо-
дящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается
возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор прихо-
дится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения. Однако при
этом конденсатор наименьшей емкости заряжается до наибольшего напря-
жения, по сравнению с другими конденсаторами цепочки, что необходимо
учитывал ь.

2. Параллельное соединение

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют парал-
лельно (рис. 3.12). При этом напряжение всех конденсаторов одинаково.
Общая ёмкость группы параллельно соединённых конденсаторов равна
сумме ёмкостей конденсаторов, входящих в группу:

( =^/=1(, или С = С । + С2 + ...+ Сп.. (3.6)

Рис. 3.12. Параллельное соединение конденсаторов

3. Смешанное соединение

При смешанном соединении необходимо выделять цепи последова-
тельного и параллельного соединения конденсаторов и, пользуясь приве-
денными формулами, определить результирующую емкость.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях
электротехники и электронной технике.

Типичным примером их применения является использование в источ-
никах питания. Там эти элементы выполняют функцию сглаживания (филь-
трацию) выпрямленного напряжения.

Конденсаторы широко применяют в преобразователях напряжения
различного рода, устройет вах бесперебойного питания для компьютерной
техники и т. д.

Совместно с катушками индуктивности и/или резисторами конденса-
торы используются для построения различных цепей с частотно-зависи-
мыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колеба-
тельных контуров и т. п.
В промышленной электротехнике конденсаторы используют для
компенсации реактивной мощности, в фильтрах высших гармоник, для
пуска и работы двухфазных асинхронных электродвигателей, а также
трехфазных электродвигателей при питании их от однофазного источника
переменного напряжения, где конденсаторы используются в качестве фа-
зосдвигающего элемента.

Способность конденсатора длительное время сохранять заряд позво-
ляет использовать его в качестве элемента памяти для хранения аналоговых
сигналов и цифровых данных, а также как источник питания для устройств
памяти (особенно подходит для этих целей - ионистор).

Предупреждение: так как конденсатор при отключении от источника
напряжения может удерживать заряд достаточно долго, никогда не касай-
тесь рукой обоих выводов конденсатора до тех пор, пока не разрядите его
путем закорачивания выводов через резистор с небольшим сопротивлением.

В системах автоматического управления технологическим оборудо-
ванием широко применяются различные измерительные преобразователи
(ИП) - датчики на основе конденсаторов.

Например'.

• ИП малых перемещений (малое изменение расстояния между об-
кладками очень заметно сказывается на емкости конденсатора);

• ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлек-
трика приводит к изменению емкости);

• ИП уровня жидкости (жидкость заполняет пространство между
обкладками конденсатора, и емкость конденсатора изменяется в
зависимости от уровня жидкости).

В силовой электронике конденсаторы могут использоваться для акку-
мулирования электрической энергии. В настоящее время идут опытные раз-
работки электромобилей и гибридных автомобилей с применением иони-
сторов.

Рассмотрим некоторые примеры применения конденсаторов
в схемах автоматики

1. Параллельная RC цепочка для разделения постоянного и перемен-
ного тока. На рис. 3.13 показана RC цепочка из параллельно соеди-
ненных конденсатора С и резистора R.

Сопротивление резистора практически не зависит от частоты тока
(за исключением очень высоких частот), в то время как емкостное сопро-
тивление X зависит от частоты (формула (3.4)):

X = — =

' со С 2л/С
Рис. 3.13. Параллельное соединение
конденсатора и резистора

На этом II основано разделение постоянного и переменного тока.
В приведенной цепочке постоянный ток через конденсатор не проходит,
а идет через резистор R. Если же цепочка подключена к источнику пере-
менного тока, тогда значение тока, проходящего через цепь резистор - кон-
денсатор, будет определяться соотношением сопротивлений X и R. С уве-
личением частоты X будет уменьшаться, а сопротивление резистора оста-
ется неизменным. Поэтому с увеличением частоты составляющая тока
через конденсагор будет увеличиваться, а через резистор уменьшаться.

Так, например, оксидный конденсатор большой емкости подключа-
ется к выходу выпрямителя UZ, т. е. параллельно нагрузке Ra (рис. 3.14) для
уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис. 3.14. Оксидный конденсатор С как филыр

Постоянное выпрямленное напряжение (/вых выделяется на нагрузке,
а переменная составляющая (пульсация) замыкается через конденсатор
большой емкости С, обладающий относительно малым сопротивлением
для данной частоты. Более подробно этот процесс рассмотрен при описа-
нии выпрямителей в гл. 5.

2. Применение конденсатора в цепочке межкаскадной связи усили-
теля переменного тока (рис. 3.15).

В этом случае для передачи сигнала переменного тока необходимо

выполнить условия:

1 ) R^Cl » ^выхЬ

2) X « ^вх2, или

гдеf( - нижняя частота передаваемых сигналов.
I каскад 2 каскад

Рис. 3.15. Конденсатор в цепочке межкаскадной
связи усилителя переменного тока:
7?вых| - выходное сопротивление предыдущего каскада;
/?вх2 - входное сопротивление последующего каскада

3. Применение конденсатора в схемах временных задержек и от-
счета времени.

Пусть при исходном положении переключателя SA (рис. 3.16) напря-
жение на конденсаторе Uc = 0 (он разряжен через резистор /?2).

При переводе переключателя SA в верхнее (но схеме) положение
в момент времени /о начинается заряд конденсатора с постоянной времени
7= Я1С (рис. 3.17).

/?1

Рис. 3.16. Схема временной задержки
и отсчета времени

Рис. 3.17. График заряда
конденсатора

При этом должно выполняться условие Авх >> Al, где Авх - входное
сопротивление порогового устройства. Заряд конденсатора происходит по
экспоненциальному закону:

Ус=1/п(1-е Л|С).

(3.7)

График заряда конденсатора по такому закону называется экспонен-
той. У этого графика есть две характерные точки: точка Л, когда напряже-
ние на конденсаторе достигает значения 0,63 (А и этому соответствует
время t = Т.н точка А, когда Uc = 0,95Un и этому соответствует время ЗТ.
R]

Рис. 3.18. Пример
составного, регулируемого
резистора

Пусть задано напряжение уставки Ц, по-
рогового устройства (ПУ), с которым будет
сравниваться напряжение на конденсаторе Uc.
До тех пор, пока Uc < Uy выходное напряжение
ПУ равно нулю. При выполнении условия
Uc-UyB момент времени t3 выходное напряже-
ние ПУ (7ВЬ|Х изменяется с «0?> на «1». Таким об-
разом. момент изменения 17вых с «О» на «1» бу-
дет сметен относительно момента замыкания
ключа SA 1 на время задержки Т3. На базе этой
схемы можно построить реле времени, если

выполнить резистор А1 составным и регулируемым (рис. 3.18). Тогда рези-
стор R2 на рис. 3.16 должен быть обозначен как R3. В этом случае верхнему
положению движка переменного резистора R2 будет соответствовать мак-
симальное значение отсчитываемого времени Tmax = (Ri + R2) С. Нижнему
положению движка соответствует наименьшее значение отсчитываемого
времени, при этом Tmin = Ri С. Окончание отсчета будет определяться мо-
ментом перепада выходного сигнала порогового устройства с «О» на «1».
Такие устройства используют в тех случаях, когда не требуется высокой
точности отсчета времени. Когда нужна высокая точность отсчета, приме-
няют цифровые устройства.

4. Применение конденсатора в цепочках формирования импульсов
(табл. 3.6).

Таблица 3.6

Примеры применения конденсатора в пеночках формирования импульсов
Окончание табл. 3.6

Примечание. Цепочки 1 и 2 отличаются тем, что выходной сигнал в первой
цепочке снимается с резистора R. а во второй -- с конденсатора С. Е - ЭДС источника
импульса.
2

Рис. 3,19. Единичный
импульсный сигнал

Рис. 3.20. Последовательность
импульсов

Для рассмотрения единичных импульсных сигналов (рис. 3.19) необ-
ходимо ввести некоторые обозначения:

tt, - длительность импульса:

Аи - амплитуда импульса;

1 - фронт импульса (перепад с «0» до «1»);

2 - вершина импульса;

3 - срез (спад) импульса (перепад с «1» до «0»),

Для импульсной последовательности (рис. 3.20) дополнительно вво-
дится понятие периода следования импульсов Ги и скважности Q = Ttt I tH.
При скважности Q = 2 импульсная последовательность называется «.ме-
андр».

Рассмотрим вначале цепочку 1 в режиме переходной цепочки 1.1. Пе-
реходный процесс для этого случая показан в столбце 3 табл. 3.6.

Амплитуда выходного импульса /411(Вых) равна амплитуде входною им-
пульса ^ц(вх)= Е, поскольку конденсатор С в момент действия импульса яв-
ляется разряженным. С момента поступления импульса начинается заряд
конденсатора (ток /.,) и величина напряжения на конденсаторе U, начинает
увеличиваться.

При этом выходное напряжение будет соответствовать разности вход-
ного напряжения и напряжения на конденсаторе (7Вых = E-Uc.

В момент окончания импульса, когда (7Вх = 0, напряжение на рези-
сторе (7Вых = - 64 (Ut - напряжение, до которого зарядился конденсатор за
время действия импульса). Далее происходит разряд конденсатора (ток zp)
и выходное напряжение (/вых спадает до нуля.

В случае, когда Т « f„. цепочка 1.2 называется дифференцирующей.
Как показано в столбце 3 табл. 3.6. в момент перепадов входного импульса
на выходе цепочки образуются остроконечные импульсы положительной
и отрицательной полярностей, что связано с быстрым процессом заряда
и разряда конденсатора.

Аналогично можно рассмотреть процесс формирования напряжения
на выходе цепочки 2. В этом случае процессы заряда и разряда конденса-
тора будут проходить так же, как и для цепочки 1, но выходным напряже-
нием будет являться напряжение на конденсаторе U.
Для переходною процесса цепочки 2.1 при условии Т» tH при заряде
конденсатора (/',) напряжение ииых нарастает медленно, практически ли-
нейно и после окончания импульса также медленно спадает до нуля при
разряде конденсатора (/р) - столбец 3, вариант а.

Переходный процесс заряда и разряда конденсатора для цепочки 2.2,
когда Т « /н происходит быстро, что приводит только к завалу фронта и
спада импульса - столбец 3, вариант б.
Глава 4. ИНДУКТИВНОСТИ

Индуктивность (от лат. inductio - наведение, побуждение), физиче-
ская величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи.
Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пространстве
магнитное ноле, причём магнитный возок Ф, пронизывающий контур
(сцепленный с ним), прямо пропорционален силе тока 7:

Ф=Ы. (4.1)

Коэффициент пропорциональности L называется индукт ивностью.

Общее графическое обозначение индуктивности -ZV"Y"V.

В электрических схемах индуктивности обозначаются буквой L

Индуктивность является количественной характеристикой эффекта
самоиндукции, открытого независимо Дж. Генри (J. Henry) в 1832 г. и
М. Фарадеем (М. Faraday) в 1835 г. [35]. Было установлено, что при изме-
нении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле,
возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока:

</Ф
е, =----

4 dt

или с учетом выражения (4.1):

e,=~L7t (4‘2)

знак - свидетельствует о том, что мгновенное значение отрицательно,
7/

если приращение тока положительно, т. е. — > 0.

В Международной системе единиц (СИ) индуктивность измеряется в
генри (Гн). Более мелкими единицами являются миллигенри (мГн), микро-
генри (мкГн).

Если на каком-либо каркасе намотать несколько витков провода, то
получится гак называемая катушка индуктивности, которая может быть
представлена эквивалентной схемой, изображенной на рис. 4.1, где L - ин-
дуктивность катушки. Со - собственная емкость. R - действующее сопро-
тивление катушки, определяемое сопротивлением проволоки и потерями
кагушки индуктивности в каркасе и изоляции, которые особенно сказыва-
ются при работе на высоких частотах. Собственная емкость является пара-
зитным параметром катушки индуктивности, которой в большинстве
устройств автоматики, обладающих индуктивностью, можно пренебречь.

Рис. 4.1. Эквивалентам схема

катушки индуктивности

С учетом этого, различные электромагнитные исполнительные эле-
менты, такие как реле, электромагниты, клапаны, муфты могут быть пред-
елявлены только в виде индуктивности и активного сопротивления катушки
(рис. 4.2).

Рис. 4.2. Эквивалентная схема элек(рома1 нитных
исполнит ельных элемен i об

Такое представление необходимо при рассмотрении переходных про-
цессов нарастания или спада тока в электромагнитных исполнительных
элементах промышленной автоматики.

Катушка индуктивности является энергоемким элементом так же, как
и конденсатор. Электромагнитная энергия И'/ запасается в магнитном поле
катушки и связана с индуктивностью следующим выражением:

(4.3)

где / - ток катушки.

Поскольку энергия связана с током, ток через индуктивность не мо-
жет изменяться скачком. Постоянная времени нарастания тока через ин-

Т L

дуктивность равна ' =—, где R - эквивалентное сопротивление цепи, по-
R

следовательно включенное с индуктивностью. В простейшем случае актив-
ное сопротивление самой катушки.

При подключении катушки индуктивности к источнику постоянного
напряжения L/n (контакт переключателя SA в верхнем положении на
рис. 4.3. а) ток в катушке устанавливается не сразу, а спустя некоторое
время (рис. 4.3. б).
Рис. 4.3. Изменение тока в катушке при верхнем и нижнем

положениях переключателя S'.4

Это связано с тем, что в момент включения изменяется магнитный по-
ток и в катушке образуется ЭДС самоиндукции, препятствующая нараста-
нию тока А (стрелка с внешней стороны контура), поскольку ЭДС самоин-
дукции ei оказывается включенной навстречу источнику Un.

На участке 1 (рис. 4.3, б) нарастание тока в катушке iK происходит по
экспоненциальному закону:

А = А(1-е/7), (4.4)

где А - установившееся значение тока катушки: А =

Т- постоянная времени: Т = L/R

При переводе контакта SA в нижнее положение (участок 2, рие. 4.3, б),
ток А спадает в соответствии с выражением:

A = Ae//r. (4.5)

В этом случае полярность ЭДС самоиндукции будет противополож-
ной (знаки в скобках) и обеспечивает постепенное снижение тока катушки
до нуля.

Если же к катушке индуктивности подключен источник переменно! о
напряжения (м), то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно, и
наводимая в катушке ЭДС будет препятствовать протеканию переменного
тока, что эквивалентно сопротивлению катушки. Это сопротивление Хь не
связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении
тока по синусоидальному закону (/ = Arsincor), наводимая ЭДС будет равна
(с учетом выражения (4.2)):

с, =-£—= -co7JMcos(or = со -A A; sin (сот- 90°). (4.6)

Поскольку и = -ед, получим:
и = (d L IM sin (coz + 90°) = Um sin (coZ + 903),

(4.7)

где Urn = M-L Im (ИЛИ Um = Xl Im).

Соотношения векторов приложенного к катушке напряжения и, тока
катушки /к и ЭДС самоиндукции ei показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Вектора напряжения и, тока катушки /к
и ЭДС самоиндукции Cl

Из выражения (4.7) следует, что величина сопротивления индуктив-
ности Xi. (Ом) переменному току равна:

Xl = со£, (4.8)

где io = Inf-круговая частота;

/ - частота (Гц);

L - индуктивность (Гн).

Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к катушке,

а, следовательно, выше скорость изменения тока — (рис. 4.5), тем больше
dt

величина ЭДС, наводимая в ней, следовательно, тем больше сопротивле-
ние, оказываемое катушкой индуктивности протекающему току.

Ио рис. 4.5 наглядно видно, что с увеличением частоты со, одному и
тому же интервалу времени Az-= (Zi - Zo) соответствуют большие значения
приращения тока А/, а, следовательно, и большая скорость его изменения

—, которая и определяет величину ЭДС самоиндукции (выражение (4.2))
dt

и величину сопротивления переменному току.

Эго свойство катушки индуктивности очень широко используется для
различных фильтров. Для увеличения индуктивности применяют сердеч-
ники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермал-
лоя, карбонильного железа, ферритов.

Значение индуктивности катушки пропорционально линейным разме-
рам катушки, квадрату числа витков намотки, магнитной проницаемости
сердечника. На практике используют катушки индуктивности от десятых
долей мкГн до десятков Гн.
Рис. 4.5. Связь частоты и скорости изменения тока

Геометрические размеры катушек, их форма, способ намотки, тол-
щина и изоляция проволоки, материал каркаса и т. д. могут весьма сильно
различаться в зависимости от назначения катушек в тех или иных схемах и
от величины их индуктивности.

Качество катушки индуктивности характеризуется её добротностью:

е~. (4.9)

где (о - круговая частота цепи, в которой включена катушка;

К - действующее сопротивление.

Добротность катушек индуктивности является очень важным пара-
метром в радиотехнических устройствах и характеризует потери в катушке.
В автоматике этот параметр катушки индуктивности представляет интерес
при выполнении различных фильтров, особенно полосовых и активных (на
транзисторах).

К основным параметрам катушки индуктивности относят: индуктив-
ность, действующее сопротивление катушки, добротность, температурный
коэффициент индуктивности, собственную емкость.
В процессе работы на катушку действуют различные внешние фак-
торы: температура, влага и другие, влияющие на ее индуктивность. Наибо-
лее существенным является влияние температуры, которое оценивают тем-
пературным коэффициентом индуктивности

TKL

LAT

(4.10)

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым
рядом факторов: при нагревании увеличивается длина и диаметр провода
обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изме-
няются шаг и диаметр витков; кроме того, при изменении температуры из-
меняются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к
изменению собственной емкости катушки.

Катушки индуктивности широко применяют в качестве элементов
фильтров и колебательных контуров, в трансформаторах, в качестве дрос-
селей. в реле, магнитных усилителях, электромагнитах, электромагнитных
муфтах и др. Примеры малогабаритных катушек индуктивности показаны
на рис. 4.6 4.8.

Рис. 4.6. Катушка
индуктивности (дроссель)
на материнской плате
компьютера

Рис. 4.7. Тороидальная
катушка

Рис. 4.8. Спиральная
кат j шка интег ральной
микросхемы

Примеры применения индуктивностей

Рис. 4.9. Индуктивность
совместно с конденсатором

Рис. 4.10. Схема включения
индуктивноеги и конденсатора
в jai радительном фильтре
Важным свойством индуктивности является увеличение сопротивле-
ния с увеличением частоты Xl = «А. Это свойство противоположно зависи-
мости емкостного сопротивления от частоты. Поэтому индуктивность ча-
сто используют совместно с конденсатором, например, в фильтре, после
выпрямителя (рис. 4.9). При этом номинальные параметры элементов
схемы выбирают по условию, чтобы для переменного тока с частотой су,
прохождение которого через нагрузку R„ необходимо исключить, выпол-
нить следующее соотношение: Xi - d)L»Rn, а Хс« R,h или совместно:

I
о)С

« R" « d)L.

Схема включения индуктивности и конденсатора используется в за-
градительных фильтрах (рис. 4.10), когда в каждый провод питающей сети
включены цепочки LC.

Рис. 4.11. Полярност ь ЭДС
самоиндукции:
a — при замыкании ключа SA;
6 - при размыкании ключа SA

Ферромагнитный сердечник индуктивности обозначают чертой ря-
дом с обозначением индуктивности

Такой за1радительный фильтр необходим в цепи питания генерирую-
щих устройств, чтобы токи с высокими генерируемыми частотами не попа-
дали в питающую сеть. Это необходимо в схемах импульсных источников
питания и различных преобразователей (например, приводов, сварочных
аппаратов, инверторов).

Как отмечалось ранее, необходимо учитывать свойства индуктивно-
сти при использовании электромагнитных исполнительных элементов
(ИЭ). Рассмотрим влияние индуктивности при коммутации таких ИЭ
(рис. 4.11). При замыкании ключа SA (рис. 4.11, а) ток начинает нарастать
по экспоненте, поскольку возникающая ЭДС самоиндукции с полярностью,
показанной на рисунке, препятствует его нарастанию. При размыкании
ключа SA (рис. 4.11, б), т. е. при прерывании цепи тока, происходит всплеск
ЭДС самоиндукции с полярностью, показанной на рис. 4.11, б.
Величина ЭДС зависит от скорости изменения тока и при резком раз-
рыве цепи может достигать очень больших значений. Это используется в
пускорегулирующих аппаратах энергосберегающих ламп, а также для по-
лучения искры в двигателе внутреннего сгорания с помощью катушки за-
жигания.

В других случаях ЭДС самоиндукции, появляющаяся при размыкании
цепи катушки, подключенной к источнику постоянного напряжения, оказы-
вает вредное действие, приводящее к образованию искры на размыкаю-
щихся контактах, или пробою полупроводниковых коммутационных
устройств (например, транзисторов). С целью исключения вредного дей-
ствия ЭДС самоиндукции при коммутации электромагнитных ИЭ их ка-
тушки шунтируют диодом (рис. 4.12), который для указанной полярности
ЭДС самоиндукции оказывается открытым. Об этом будет изложено при
рассмотрении транзисторных ключей.

Рис. 4.12. Шун тирование
электромагнитных ИЭ диодом

Рис. 4.13. Шунтирование
электромагнитных ИЭ цепочкой RC
при их питании от источника
переменного напряжения

При питании ИЭ от источника переменного тока (например, катушку

контактора КМ рис. 4.13) необходимо шунтировать цепочкой из последо-
вательно включенных резистора R и конденсатора С, где R выбирают по-

рядка 100 Ом, а емкость С примерно 0,1 мкФ
с рабочим напряжением в два раза большим
действующего напряжения источника пере-
менного тока.

В случаях, когда желательно ускорить
нарастание тока при подключении индук-
тивной нагрузки, применяют различные
схемы форсировки, простейшая из которых
показана на рис. 4.14.

В этом случае выбирают напряжение
питания Un значительно больше (в 3^4 раза)
номинального напряжения ((7Н) ИЭ.

На рис. 4.14 напряжение Uu показано
при замкнутом контакте переключателя.

Рис. 4.14. Схема форсировки
ИЭ с индуктивной на! руэкой
Для обеспечения номинального тока/н катушки в установившемся ре-
жиме последовательно включают резистор R. величина которого определя-
сь -U
D _ 11 н

стся из выражения: ~ \ поскольку в установившемся режиме

1 н

должно выполняться условие: С/п = Ur + Ua.

Для ускорения процесса нарастания тока параллельно резистору
включают конденсатор С. Поскольку в момент замыкания ключа SA, кон-
денсатор полностью разряжен и напряжение на нем Uc = 0, все повышенное
напряжение питания прикладывается к катушке ИЗ, что обеспечивает бо-
лее резкое нарастание тока. По мере заряда конденсатора напряжение на
катушке уменьшается до номинального.

Недостатком такой схемы форсировки являются большие потери
энергии на ограничительном резисторе в установившемся режиме.

С целью повышения энергетической эффективности часто применяют
более сложную схему форсировки (рис. 4.15).

В схеме используют два источника напряжения: форсировочного С7ф
и номинального два ключа Кл1 и Кч2, которые замыкаются схемой
управления в зависимости от величины напряжения Urn, снимаемого с из-
мерительного резистора RN, величину которого выбирают значительно
меньше сопротивления катушки ИЗ. Напряжение Urn пропорционально
току через катушку.

Когда необходимо включить ИЗ, первым замыкается ключ Кл 1 и к
катушке прикладывается форсировочное напряжение О'ф. При этом проис-
ходит ускоренное нарастание тока в катушке ИЗ, величина которого кон-
тролируется по напряжению Urn.

С/Ф

Рис. 4.15. Экономичная схема форсировки
В момент, когда ток достигает номинального значения, схема управ-
ления размыкает ключ Ki\ и замыкает ключ Кл2. ИЭ подключается к номи-
нальному напряжению. Практически в качестве ключей используют тран-
зисторы. Эта схема является более экономичной, по сравнению со схемой
на рис. 4.14.

Переменные индуктивности

Такие индуктивности используют в основном в радиоприемных
устройствах и измерительной аппаратуре, поэтому в данном учебном посо-
бии они нс рассматриваются.
Глава 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

5.1. Классификация и принцип работы
полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды и их разновидности очень широко приме-
няются в электронных успройствах промышленной автоматики. Их класси-
фикация представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация полупроводниковых диодов

По назначению диоды могут быть разделены на две i руины: общего
применения и специальные. Особенности диодов каждой из этих групп бу-
дут рассмотрены далее.

Основой полупроводникового диода является двухслойная структура,
созданная в кристалле полупроводника с разными типами проводимостей -
электронной (л) и дырочной (р). На границе такой структуры образуется
р-л-переход [1,2. 3]. С помощью металлических выводов переход включа-
ется в электрическую цепь.

В современных полупроводниковых приборах в основном используют
германий и кремний. Для создания /г-л-перехода в полупроводник вводят
примеси, которые и образуют зоны с различным типом проводимости и и р.
Проводимость //-типа соответствует избытку электронов, заряд которых, как
известно, отрицательный (л - negative - отрицательный). Проводимость
p-типа, наоборот, связана с недостатком электронов. Это обеспечивает экви-
валентный положительный заряд дырки (р — positive — положительный),
что соответствует отсутствию отрицательно заряженного электрона, т. е.
дырка - это место в кристаллической решетке полупроводника, где недо-
стает электрона. Другими словами, дырка, условно, соответствует носителю
с положительным зарядом и двигающимся в противоположном электрону
направлении. Таким образом, /7-/7-переход можно упрощенно представить в
виде двух областей полупроводника с носителями противоположных знаков
и границей между ними, которую образует, так называемый, потенциальный
барьер, препятствующий взаимному перемещению носителей в равновес-
ном состоянии, т. е. без приложенного внешнего напряжения (рис. 5.2).

барьера /?-/7-перехода

Рис. 5.2. Условные области полупроводника
при отсутствии внешнею источника напряжения
(нейгралыюе сосюяниер-п перехода)

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах р-п-
иерехода, поэтому очень упрощенно рассмотрим, как ведет себя закон пе-
реход в электрической цени, в зависимости от приложенного к нему внеш-
него напряжения.

Если к р-п-переходу приложить внешнее напряжение от источника
питания (ИП), причем его вывод «+» подсоединить к области р. а его «-» к
области л, то равновесие на границе областей нарушается (рис. 5.3). Из-
вестно из физики, что заряды одинаковых знаков отталкиваются, а проти-
воположных притягиваются. По этой причине можно предположить, что
дырки области р будут отталкиваться положительным потенциалом вывода
«+» ИН в сторону границы областей. Точно также электроны области п бу-
дут отталкиваться отрицательным потенциалом вывода «-» ИП в сторону
границ областей. В результате этого область потенциального барьера сужа-
ется и тем больше, чем больше приложенное напряжение от внешнего ис-
точника. Таким образом, при указанной полярности внешнего ИП потенци-
альный барьер уменьшается, переход носителей зарядов через границу
(электронов из и-слоя и дырок из /7-слоя) и их взаимная компенсация воз-
растают. Такое состояние перехода называют «открытым» переходом, при
котором через него проходит ток.
Рис. 5.3. Переход р-п в открытом состоянии

При обратном знаке внешнего напряжения (рис. 5.4) электроны обла-
сти п притягиваются к положительному потенциалу ИП. а дырки области р -
к отрицательному. Потенциальный барьер в области р-и-перехода увеличи-
вается (переход расширяется, другими словами, расширяется область пере-
хода, в которой, практически, отсутствуют носители зарядов), движение за-
рядов через границу почти прекращается, т. е. ток будет очень мал. Такое
состояние соответствует «закрытому» переходу (или «запертому»).

Закрытый переход

Рис. 5.4. Переход р-п в закрытом сосюянии

Основное свойство ^-//-перехода - проводить ток только в одном
направлении, что используется в полупроводниковом диоде и отражается в
его условночрафическом обозначении в виде стрелки, причем можно вы-
делить вывод анода Л (от области р) и вывод катода К (от области /?):

Эти термины идут от ламповых диодов. С учетом этих обозначений
полупроводниковый диод проводит т ок в направлении стрелки от анода к
катоду, т. е., когда анод подключен к «+» ИП. а катод к «-».

Буквенное обозначение полупроводникового диода - VD.
Свойство односторонней проводимости тока диодом хорошо иллюстри-
руется его вольт-амперной характеристикой (ВЛХ), показанной на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Вольт-амперная хараюеристика диода

Ветви ВЛХ расположены в 1 и 3 квадрантах (цифры в кружках), при-

чем ветвь первого квадранта соответствует проводящему состоянию диода
(«+» ИП на аноде; «-» на катоде), а ветвь третьего квадранта - запертому
состоянию («-» ИП на аноде, а «+» на катоде). Увеличение напряжения на
диоде в запертом состоянии (квадрант 3) выше допустимого приводит к не-
обратимому пробою /^-//-перехода диода. На начальном участке ВЛХ до
напряжения включения С/вкл ток через диод отсутствует. Для германиевых
диодов ивкя. ~ 0.3 В, а для кремниевых (7ВКЛ. ~ 0,6-0.7 В. При дальнейшем
увеличении напряжения l/ток начинает увеличиваться с ярко выраженной
нелинейной зависимостью. На этом участке сопротивление диода постоян-
ному и переменному току будет разнос. Так. .для произвольной точки А

ВЛХ сопротивление диода 7?пр в проводящем состоянии Лпр =

, где (7пр -

постоянное напряжение, приложенное к диоду, а /пр - ток через диод. Со-
противление диода переменному току называется дифференциальным гДцф
и определяется отношением приращений напряжения и тока для соответ-
Л67

ствующей точки ветви ВЛХ (например, А): гадф =——

При прохождении тока через диод на нем падает относительно не-
большое напряжение (7пр., которым в большинстве случаев можно прене-
бречь. Тогда ток через диод /1|р определяется напряжением источника пита-
ния Uи сопротивлением на>рузки 7<, (рис. 5.6. а): / =—.

В закрытом состоянии диода (рис. 5.6, б) к нему будет приложено
напряжение обратной полярности (70бР., равное напряжению источника пи-
тания U.
В этом случае через диод проходит очень небольшой ток обратного
направления, которым в большинстве случаев можно также пренебречь,
считая его равным нулю.

Рис. 5.6. Электрическая цепь с диодом:

а - проводящее включение диода; б - непроводящее включение диода

По этим причинам при рассмотрении режимов работы схем с диодами
их можно представлять в виде идеализированных приборов, которые явля-
ются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изо-
ляторами в обратном направлении.

Идеализированная ВЛХ представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Идеализированная ВАХ диода

5.2. Полупроводниковые диоды общего применения

К этой группе, прежде всего, относятся выпрямительные диоды, ко-
торые делятся на низкочастотные и высокочастотные. Это связано с тем,
что первые применяют, в основном, в выпрямителях сетевого переменного
напряжения с частотой 50 Гц. Вторые - широко используют в импульсных
блоках питания, где выпрямлению подвергается переменное напряжение с
частотой 10-100 кГц от встроенного преобразователя. К этой же группе от-
носят импульсные диоды, которые широко используют в схемах формиро-
вания и передачи импульсов, в oi раничителях импульсов, в ключевых схе-
мах и г. д.

К группе диодов общего применения относят также стабилитроны,
которые, согласно названию, предназначены для стабилизации напряже-
ния.
Примеры конструктивного оформления некоторых из перечисленных
диодов данной группы показаны на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Внешним вид полупроводниковых диодов общего применения:
а - выпрямительные (внизу - интегральный выпрямительный мост);

б - импульсные; в - стабилитроны

У диодов данной группы направление проводимости указывается на
корпусе диода в виде стрелочки «^|». При этом со стороны стрелки будет
вывод анода «Л», а со стороны вертикальной черты - вывод катода «/6>.

На малогабаритных диодах направление проводимости диода обозна-
чается в направлении от темной части к светлой поперечной черте
(рис. 5.9), рядом для сравнения показано приведенное ранее УГО диода.

Направление проводимости

Рис. 5.9. Обозначение направления проводимост и
на мало! абаршных диодах

На очень маленьких стеклянных диодах для обозначения катода ста-
вится белая или красная точка.
Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощно-
стью Р||р = Uip/np, где t/пр и /Пр относятся к определенной точке ВЛХ. Рассе-
иваемая мощность определяет нагрев диода. При Haipese, превышающем
допустимый, диод разрушается. По этой причине мощные диоды выпол-
няют в корпусе с винтовой резьбой и устанавливают на радиаторах для от-
вода выделяемого тепла.

В настоящее время преобладают кремниевые диоды, так как они
имеют более высокую предельную рабочую температуру (150 °C против
75 °C для германиевых), допускают большую плотность прямого тока
(60...80 А/см2 по сравнению с 20...30 А/см2), обладают меньшими обратными
токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напря-
жениями (1500...2800 В по сравнению с 600...800 В). Однако кремниевые ди-
оды, как отмечалось ранее, имеют большее прямое падение напряжения.

Маркировка полупроводниковых диодов установлена отраслевым
стандартом ОСТ 11 336.919-81. В основу системы обозначений положен
буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал,
из которого изготовлен диод. Используют буквы или цифры: Г или 1 - для
германия или его соединений; К или 2 - для кремния или его соединений;
А или 3 - для соединений галлия: И или 4 - для соединений индия.

Второй элемент - буква, определяющая подкласс (или группу) при-
бора: Д - для диодов выпрямительных, импульсных, магнитодиодов, тер-
модиодов; И - для туннельных диодов: А - для сверхвысокочастотных ди-
одов; Ц - для выпрямительных столбцов и блоков: В - для варикапов: С -
для стабилит ронов (включая стабисторы и ограничители).

Третий элемент - цифра, определяющая функциональные возможно-
сти диода.

Четвертый элемент - число, обозначающее порядковый номер раз-
работки диода.

Пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию ди-
одов по параметрам.

Примеры обозначения приборов [36]: 2Д204В - кремниевый выпря-
мительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3... 10 Л, номер
разработки 04, группа В. КС620А - кремниевый стабилитрон мощностью
0.5...5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер
разработки 20, группа А. ЗИЗО9Ж - арсенид-галлиевый переключательный
туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды применяют для преобразования переменного
тока в постоянный. Они должны обладать малым сопротивлением гпр, так
как это сопротивление определяет величину рассеиваемой на диоде мощно-
сти при прохождении тока и выдерживать высокое обратное напряжение U^p.
Выпрямительные диоды разделяют на низкочастотные и высокочастотные
в зависимости от области применения: в сетевых выпрямителях или им-
пульсных преобразователях.

Основные электрические параметры выпрямительных диодов [36]:

4'пр - постоянное прямое напряжение диода (при заданном прямом
токе);

бобр - постоянное обратное напряжение диода;

б’проб - пробивное напряжение диода (значение образ ного напряже-
ния, вызывающее пробой перехода диода);

/пр - постоянный прямой ток диода;

/пР.ср. - средний прямой ток диода (средний за период значение пря-
мого тока диода);

/«бр - постоянный обратный ток диода;

/ви.ср - средний выпрямленный ток диода (среднее за период значе-
ние прямого и обратного токов выпрямительного диода);

Л1Р - прямая рассеиваемая мощность диода (при протекании пря-
мого тока).

В справочниках по диодам указывается их частотный диапазон Д/~
(или граничная частота), в пределах которого выпрямленный ток не умень-
шается ниже заданного значения.

На рис. 5.10 приведены типовые схемы выпрямителей с питанием от
сети с частотой 50 Гц, которые применяют в блоках питания устройств про-
мышленной автоматики.

11ри рассмотрении выпрямительных устройств следует иметь в виду,
что напряжение на вторичной обмотке трансформатора является синусои-
дальным, в котором можно выделить положительную и отрицательную по-
луволны (рис. 5.11). Полярность напряжения для положительной полу-
волны указана без скобок, а для отрицательной полуволны (в скобках).

Для рассмотрения схем выпрямителей, приведенных на рис. 5.10,
к выходу выпрямителей подключено эквивалентное сопротивление на-
грузки Лн, которое рассчитывается по выходному напряжению выпрями-

теля t/вых и потребляемому току /пот: Ян

/пог

Рассмотрим работу однополупериодного выпрямителя (рис. 5.10, а).

При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке
ток проходит от верхнего вывода вторичной обмотки «+», через диод И£)1
(в соответствии с направлением стрелки его графического обозначения), че-
рез нагрузку /?„, к нижнему выводу вторичной обмотки трансформатора «-».
При смене полуволны вторичного напряжения с положительной на отрица-
тельную к диоду VD1 приложено напряжение в запирающей полярности
«+» на катоде, а «-» на аноде. При этом ток через нагрузку не проходит.

Рис. 5.10. Л иповые схемы выпрямиiелей:

а - однополупериодный; б - двухполупериодный мостовой;
в - двухполупериодный со средней точкой
от вторичной обмотки трансформатора

Рис. 5.11. Синусоидальное напряжение
на вторичной обмотке трансформатора

Осциллограммы напряжения на вторичной обмотке трансформа-
тора (а) и на выходе однополупериодного выпрямителя (б) показаны на
рис. 5.12 в предположении отсутствия конденсатора С. Его назначение -
сглаживать пульсации выпрямленного напряжения (см. рис. 3.14, гл. 3).

Двухполупериодный выпрямитель выполняется в двух вариантах
(рис. 5.10, б, в). В начале рассмотрим работу мостового выпрямителя
(рис. 5.10, б). При положительной полуволне ток проходит от верхнего вы-
вода (ВВ) вторичной обмотки трансформатора через диод VDI, через
нагрузку /?ц, диод VD2 к нижнему выводу (НВ) вторичной обмотки. При
отрицательной полуволне за счет смены полярности напряжения ток про-
ходит от НВ, через VD3, через нагрузку (в том же направлении), через
диод VD4 к ВВ.
Рис. 5.12. Осциллограммы напряжения:

а - на вторичной обмотке трансформатора;

б - на выходе однополупериодного выпрямителя;

в - на выходе двухполупериодного выпрямителя; г - па выходе
двухполупериодного выпрямителя с подключенным конденсатором С

Осциллограмма выходного напряжения для мостового выпрямителя
(также без отсутствия конденсатора С) представлена на рис. 5.12, в.
Можно видеть, что в отличие от однополупериодного выпрямителя, в мо-
стовом двухполупериодным - обе полуволны приложены к нагрузке, что
значительно увеличивает постоянную составляющую выпрямленного
напряжения.

Схема на рис. 5.10, в отличается тем, что, в отличие от мостового вы-
прямителя, здесь используется в два раза меньше диодов, но усложняется
вторичная обмотка. Она выполняется из двух одинаковых обмоток с общей
(средней) точкой. Обмотки соединены друг относительно друга последова-
тельно, при этом для положительной полуволны выходного напряжения на
верхней (по схеме) обмотке полярность напряжения будет такой: «+» на
ВВ1, а «-» на выводе, подключенном к средней точке. При этом на нижней
обмотке: «+» на выводе, подключенном к средней точке, а «-» на нижнем
выводе НВ2. Для отрицательной полуволны напряжения вторичной об-
мотки полярность напряжений на выводах обмоток изменяется па противо-
положную. Итак, для положительной полуволны ток проходит от ВВ1 че-
рез диод PD1, через на1рузку Я„, к средней точке обмотки. Это так же, как
для однополупериодного выпрямителя. При этом диод VD2 заперт. Для от-
рицательной полуволны, когда изменяется полярность напряжения, рабо-
тает нижняя обмотка. Ток проходит через диод VD2, нагрузку (в том же
направлении) к средней точке обмотки. Диод l'D\ оказывается запертым.

Если сравнивать схемы выпрямителей (рис. 5.10), можно сделать сле-
дующие выводы (см. табл. 5.1). Для сглаживания выпрямленного напряже-
ния во всех схемах сетевых выпрямителей в качестве фильтра применяют
оксидный конденсатор (рис. 5.10). Этот процесс для двухполупериодного
выпрямителя показан на рис. 5.12, г.

В импульсных источниках питания и различных преобразователях
напряжения, работающих на высоких частотах (10-100 кГц), применяют
высокочастотные выпрямительные диоды.

Таблица 5.1

Выводы сравнения типовых схем выпрямителей

1. Выпрямитель, по варианту я, обычно используют при небольшой мощности нагрузки Токи на1рузки небольшие (до 30 40 мА). При этом во вторичной обмотке проходит постоянная составляющая, подмагничивающая сердечник, что ухудшает работу трансформатора
2. Двухполупериодный мостовой (б) Наиболее распространенный выпрямитель. Не требует обмотки с отводом от средней точки, но необходимы четыре диода. Выпускается в виде г огового блока (тип КЦ) или в интегральном исполнении.
3. Двухполупериодный со средней точкой вторичной обмотки (в) Применяется для выпрямителей с большими токами нагрузки, когда требуется установка диодов на радиаторе для теплоотвода. Выигрыш обеспечивается за счет установки на радиаторе только двух диодов, вместо четырех мостовой схемы. При этом диоды могут устанавливаться на едином радиаторе, так как по схеме катоды диодов соединены

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для использования в качестве
ключевых элементов различных устройств, работающих при малых дли-
тельностях импульсов и переходных процессов (микросекунды и доли мик-
росекунд). Их характеризуют те же основные параметры, что и для рассмот-
ренных ранее диодов, но приводится еще важный второстепенный пара-
метр - импульсный ток за определенное время. Особенностью диодов
данной труппы является наличие малой инерционности при их переключе-
нии из одного состояния в другое.

Примеры применения диодов

Применение диодов для выпрямления переменного напряжения было
рассмотрено ранее. Далее приведены примеры других интересных приме-
нений диодов.

Схемы логических операций «ИЛИ» и «НЕ». На рис. 5.13, а показана
схема, где диоды использованы для реализации логической функции
«ИЛИ». При поступлении на вход хотя бы одного из диодов KD1-KD3
напряжения, соответствующего уровню логической единицы, на выходе
схемы будет также напряжение с уровнем логической единицы. Фактиче-
ски напряжение на выходе повторяет входное напряжение за вычетом па-
дения напряжения на открытом диоде, которым можно пренебречь. При
этом другие диоды, на входах которых будет напряжение с уровнем логи-
ческого нуля, оказываются запертыми. На этом основано применение дан-
ной схемы для выделения наибольшего напряжения (оно проходит на вы-
ход) из нескольких поданных па другие входы схемы.

Г 7)1

Выход

VD2

VD3

Входы

/?н

Рис. 5.13. Схемы выделения наибольшею напряжения из нескольких

Например, если на вход диода VD2 будет подано напряжение «т-7В»,
на вход диода Г7)1 - «+5В», а на вход диода VD3 - «+ЗВ», то на выходе
схемы будет присутствовать напряжение «-1-7В» (за вычетом падения
напряжения на открытом диоде VD2), которое окажется запирающим для
диодов VI) \ и VD3.

Примером применения такой схемы является автоматическое пере-
ключение питания от основного источника (в случае его отключения от
сети или выхода из строя) на резервное от батареи (электронные часы,
устройства памяти и т. д.). Схема, выполняющая такое переключение, по-
казана на рис. 5.13, б. При нормальной работе основного ИП его напряже-
ние «+15В» обеспечивает питание требуемого устройства (электронные
часы) и запирает диод VD2, на аноде которого присутствует напряжение
«+12В» от резервной батареи. При отсутствии напряжения «+15В» от ос-
новного ИП, электронные часы получат питание от батареи, при этом диод
VD\ окажется запертым.

На рис. 5.14 показана схема, реализующая операцию логического
умножения «И». Основные элементы схемы: резистор R1, резистор на-
грузки Rh, с которого снимается выходной сигнал С7ВЫХ, два диода VD\ и
17)2, подключенные соответственно к входам 7 и 2. На входы схемы пода-
ются сигналы {УВХ| и UBX2, с логическими уровнями «О» или «1». Положим,
что источники этих сигналов обладают внутренним сопротивлением, рав-

ным нулю.

В исходном состоянии схемы
сигналы UBX\ и (Увх2 имеют значе-
ния «О». Ток проходит по цепи от
+UU через резистор /?1, диоды 17)1
и 17)2 к -Un\ При этом выходное
напряжение также имеет уровень
логическою нуля UBh}X = 0.

Если L'bxi = 1 (принимает вы-
сокий потенциал), а 1/ВХ2 = 0 (низ-
кий потенциал), ток проходит че-
рез открытый диод 17)2 и значение
выходного сигнала не изменится
L выл ~ 0.

Рис. 5.14. Схема, реализующая операцию
логического умножения «И» Пусть t7BX) = 0, а (7ВХ2 =1.11ри

этом состояние выхода также не
изменяется. Наконец положим, что l/BXi = 1 и l/BX2 = 1. При этом оба диода
17)1 и 17)2 запираются, а выходное напряжение становится равным:
R

вых 7?1 + 7? п (как делитель из резисторов 7?1 и /?„), которое будет соот-

ветствовать уровню логической единицы (7’^- Для обеспечения запертого
состояния диодов необходимо, чтобы выполнялось условие: напряжения
источников входных сигналов t/,xi и UBK2 при уровнях, принятых за единич-
ные. должны быть больше выходного напряжения lQ\.

* Через внутренние сопротивления источников сигналов Onxi и UB*2.
Схемы выделения импульсов требуемой полярности

Пусть имеется дифференцирующая RC цепочка 1.2 (см. табл. 3.5) и
требуется формировать только выходные положительные импульсы, ис-
ключив отрицательные.

Рис. 5.15. Выборка положительных импульсов:
а - схема, б - положительные импульсы

Для решения задачи достаточно включить диод параллельно рези-
стору R, с которого снимается выходной сигнал С'вых, как показано на
рис. 5.15, а. Выходные импульсы показаны на рис. 5.15, б. Для выборки от-
рицательных импульсов и исключения положительных, достаточно изме-
нить подключение диода FD1 на обратное (см. рис. 5.16). В этих схемах
должно выполняться условие R » Rt, где R - внутреннее сопротивление
источника импульсов.

Рис. 5.16. Выборка отрицательных импульсов:
а - схема; б - отрицательные импульсы
Схема формирования требуемых постоянных времени
заряда и разряда конденсатора

{ вых

—*

Рис. 5.17. Схема с paj.nrinj.iMH
постоянными времени заряда
и разряда конденсатора

Пусть в цепочке 2 с вариантом Т» /н (см. табл. 3.5) необходимо обес-
печить заряд конденсатора с постоянной времени RC и быстрый разряд кон-
денсатора по окончании импульса. Это можно сделать, подключив диод
VDI и резистор АдОП по схеме, представленной на рис. 5.17. При этом заряд
конденсатора будет происходить с по-
стоянной времени Л = RC, а разряд с
R • R

W 'ПО — Чдоп

постоянной времени 1 2 - ~---------L .

+ .ЧОП

При открытом диоде VD1 резистор /?ДОп
подключается параллельно резистору R,
т. е. выбирая /?дОП, можно уменьшить
время разряда конденсатора, а если его
исключить, то время разряда конденса-
тора будет минимальным с постоянной

времени 73 = (rnp + Rr) C. Поскольку сопротивление открытого диода гпр
небольшое, необходимо учитывать внутреннее сопротивление R, источника

сигнала.

Таким образом, на примере рассмотренных схем, можно сделать вы-
вод, что диод выполняет функцию ключа с управлением напряжением.
До тех пор, пока потенциал анода будет ниже потенциала катода, диод бу-
дет заперт, если же потенциал анода будет больше потенциала катода, диод
открывается. Часто можно допустить, что падение напряжения на откры-
том диоде равно нулю. Это значительно упрощает анализ работы схемы.

Диодный ограничитель

В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения
напряжения, можно воспользоваться схемой, показанной на рис. 5.18.

Вход

Выход

+5В

Рис. 5.18. Схема ограничения выходного
напряжения на уровне «45В»
Благодаря диоду, выходное напряжение не может превышать значе-
ния +5.0 В. поскольку при выходном напряжении 0вых >5 В диод открыва-
ется и оно будет фиксировано на уровне 5 В. Наличие диода никак не ска-
зывается при меньших значениях входного напряжения, поскольку он
находится в закрытом состоянии.

Двусторонний ограничитель

Еще один ограничитель показан на рис. 5.19. Эта схема ограничивает
«размах» выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на
диоде, т. е. приблизительно 0,3 В (для германиевых диодов). Такая схема
часто используется в качестве защиты на входе интегрального операцион-
ного усилителя.

Вход

Рис. 5.19. Схема двустороннего ограничителя

('табилшпроны

Стабилитроны отличаются от обычных диодов видом обратной ветви
ВАХ при отрицательных напряжениях (третий квадрант, рис. 5.20). В пер-
вом квадранте участок ветви ВАХ и начальный участок в третьем квадранте
практически не отличается от соответствуюгцего участка обычного крем-
ниевого диода. Однако при достижении определенного обратного напряже-
ния начинается плавный рост тока на участке от точки А до точки В, а затем
происходит резкое увеличение тока через прибор при от носительно неболь-
шом приращении приложеггного к нему напряжения (участок ВС).

Эта особенность ВАХ позволяет использовать данный прибор для
стабилизации напряжения У ГО стабилитрона отличается от УГО диода
наличием черточки перпендикулярно черте катода -

При изменении тока от /min (точка В) до Imax (точка О, напряжение на
стабилитроне изменяется от до t/ст.тах на небольшую величину
А(7 = 0,3- 0.5 В. Точка С - связана с ограничением тока через прибор мак-
симально допустимой величиной /тах, которая определяется допустимой
мощностью, рассеиваемой прибором = U„ max • /П1ах.

Таким образом, рабочей частью ВАХ стабилитрона является ветвь,
соответствующая запертому состоянию обычного диода, когда «+» источ-
ника питания подключен к катоду, а «-» к аноду стабилитрона.
Рис. 5.20. Вольгамперная характеристика стабилилроиа

В соответствии с ВАХ для стабилитронов необходимо знать следую-
щие параметры:

t/CT - напряжение стабилизации (для современных стабилитронов
этот параметр может находиться в диапазоне 3,3 + 200 В);

/ст. min - минимальный ток стабилизации;

/ст.max- максимально допустимый ток стабилизации (может быть
ориентировочно определен по максимально допустимой рас-
сеиваемой мощности Ртах, для заданной температуры окру-
жающей среды и известном 17ст).

Для параметра UC1 может указываться разброс в процентах или в воль-
тах, а также изменение (7СТ при изменении температуры. У маломощных
стабилитронов /C1.min = 1-3 mA. /ст.тах = 30 40 mA, тогда как у мощных ста-
билитронов /ст.тах достигает несколько сотен mA.

Для увеличения рассеиваемой мощности стабилитрон может устанав-
ливаться на теплоотводящий радиатор.

Полезным параметром стабилитронов является величина дифферен-
циального сопротивления гст:

А <4,
г =-----—

ст А/ ’
ст

где At/CT - изменение напряжения стабилизации;

А/ст - соответствующее ему изменение тока стабилизации.

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в раз-
личных цепях электронных устройств. Их изготовляют из кремния, что
обеспечивает возможность их работы при температуре от -60 до +120 °C.
Для примера параметры некоторых стабилитронов приведены
в табл. 5.2 [37].

Таблица 5.2

Параметры стабилитронов (выборка)

Тип прибора t СТ.НОМ, в при (Zct.hom, мА) 7*max, мВт Значения параметров при Т= 25 °C, /ет.ном Предельные значения параметров при Т= 25 °C Тк max, °C
( cr.min, В 1 ст. max, В Ат., Ом Гст., Ом при Ат min /cT.min, мА Аг.тах, мА
2С107А 0,7(10) 125 0,63 0.77 7 50 1 100 125
КС107А 0.7(10) 125 0,63 0.77 7 1 100 125
КС 133 А 3.3(10) 300 2.97 3.63 65 180 3 81 125
КС407Г 5.1 (20) 500 4.8 5.4 17 1 59 85
КС407Д 6.8(18.5) 500 6.4 7,2 4,5 1 42 85
2С411Ь 9,0 (5) 340 8,0 9,5 10 18 3 36 125
2С215Ж 15,0(2) 150 14,2 15,8 70 300 0,5 10 125

Схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения
показана на рис. 5.21, а. Последовательно со стабилитроном включен рези-
стор R, который часто называют балластным. Схема питается от источника
напряжения Uu. Такая схема называется параметрическим стабилизато-
ром, поскольку стабилизация обеспечивается за счет изменения сопротив-
ления стабилитрона (с ростом тока сопротивление прибора уменьшается).

Работа схемы становится понятной при рассмотрении рис. 5.21, б.
Здесь / - ВАХ стабилитрона, а прямая 2 - проводится по двум точкам: Un

(на горизонтальной оси) и Ir на вертикальной. Значение тока IR = -^- со-
ответствует максимальному току в цепи при отсутствии стабилитрона. Ре-
жим работы схемы определяется точками пересечения ВАХ стабилитрона
и прямой 2.

По рис. 5.21, о видно, что при изменении Un в широких пределах вы-
ходное напряжение схемы изменяется на небольшую величину А£7СТ.

Коэффициент стабилизации определяется по выражению:
Д(/п Uct

А,.г =--------и его типовое значение составляет лст = 10-30.

с А£/ст Un
Рис. 5.21. Схема включения стабилиipona в режиме стабилизации
напряжения (а) и графическая иллюстрация этого режима (б)

Параметрический стабилизатор часто используют как источник опор-
ного напряжения. Параллельно стабилитрону может включаться сопротив-
ление нагрузки RH. Схема параметрического стабилизатора с нагрузкой по-
казана на рис. 5.22. а.

В этом случае параллельное соединение стабилитрона и сопротивле-
ния нагрузки целесообразно рассматривать как новое нелинейное сопротив-
ление, ВАХ которого показана на рис. 5.22, б (жирная линия). Как видно из
рисунка, включение сопротивления нагрузки параллельно стабилитрону
приводит к уменьшению участка стабили зации. Если при холостом ходе ста-
билизация началась со значения Utt min, то при подключении сопротивления
Ян стабилизация выходного напряжения начинается с величины U'„ min, т. е.
при относительно небольших обратных напряжениях схема работает как де-
литель из резисторов Я1 и Я„. При дальнейшем увеличении напряжения Ua
стабилитрон начинает работать и ограничивает выходное напряжение на
уровне стабилизации.

При этом ток от источника питания /п равен сумме токов через стаби-
литрон и резистор нагрузки: I„ = 7СТ + IRli.

При подключении на]рузки R„ к параметрическому стабилизатору
необходимо учитывать, чтобы ток через стабилитрон не выходил за пределы
его рабочего участка от/ст.тт до /С(.тах, поскольку при постоянном напряже-
нии на стабилитроне, уменьшение сопротивления нагрузки 7?н приводит к
увеличению тока нагрузки и соответственно уменьшению тока через ста-
билитрон и наоборот.
В этом случае рабочая точка на характеристике стабилитрона выби-
рается из требуемых условий работы. Покажем, как выбирается рабочая
точка при заданных условиях работы. Пусть Ru = const, a Uu может только
увеличиваться. В этом случае положительное приращение Un при постоян-
ном напряжении на стабилитроне вызывает увеличение тока через рези-
стор /?1. Поскольку при 7?ц = const - ток нагрузки постоянный, значит при-
ращение тока через R1 связано с соответствующим приращением тока че-
рез стабилитрон. Поэтому рабочая точка должна выбираться в нижней
части участка стабилизации. При условии, когда Un может только пони-
жаться, рабочая точка должна выбираться в верхней части участка стаби-
лизации в районе /ci.ma.x- При возможном изменении Un и вверх, и вниз, ра-
бочая точка выбирается в средней части участка стабилизации.

Рис. 5.22. Параметрический сгабилизаюр (а)
и графическая иллюстрация его работы (о)

Рассмотрим порядок расчета параметрического стабилизатора с
нагрузкой по схеме на рис. 5.22. Пусть задано сопротивление резистора
нагрузки 7?ц, напряжение стабилитрона (7CI mjn и минимальное напряжение
источника питания f/^.min (рис. 5.22, б). По этим данным определяем значе-
ние сопротивления резистора Я1. Поскольку резистор /?1 и резистор
нагрузки Я,, образуют делитель (пока стабилитрон не проводит ток, т. е.
/ст = 0), то сопротивление резистора определяется из условия, чтобы при
напряжении t/^.min выходное напряжение делителя оказалось равным
напряжению стабилизации t/cT.min- Это соответствует началу работы стаби-
литрона, после чего увеличение напряжения источника питания будет вызы-
вать соответствующее увеличение тока через стабилитрон (при /?„ = const) и
резистор R1. С учетом это] о можем записать:
—-— -и' .,
r»i г> n.min ’

ст. min

откуда

R -U'
— н n.min

^cr.min

или

( и1

n.min

(5.1)

(5.2)

(5.3)

Для определения максимального напряжения источника питания 1/п.тях
необходимо определить максимально допустимый ток через стабилитрон,
который озраничен допустимой мощностью рассеяния стабилитрона, зна-
чение которой берется из справочников (табл. 5.2 технических характери-
стик):

доп.

(5.4)

откуда

ст.тах zст.max?

ст.тах

(5.5)

Если ток /ст.тах известен из справочника, определяем значение t/ст.тах

доп

сипах

(5.6)

ст .max

Тогда максимально допустимый ток /п через резистор /?1 будет
/п.тах = /ст max + /н, что соответствует максимальному падению напряжения
на резисторе R1:

( Я1 max /^ 1 -Ai.maxj

(5.7)

откуда определяем максимально допустимое напряжение питания Ui.max:

п.тах ( max L ст.тах.

(5.8)

Мощность рассеяния резистора можно определить по значениям
i-'KI max И /п.max*

/^/<1 max ( /?1 max’/ii max-

Коэффициент стабилизации (А"ст):

LT ст.пом

(5.9)

(5.10)

ст п.ном
) Де AtTn t^ n.max U n.min,

11.IH.1M

A Uct £7ет.max ^ci.niin,

Выходное сопротивление стабилизатора /?ВыХ:

1 кных

AC'.,
A/„

(5.11)

Для простого стабилизатора /?ВЫх ~ /д, где гд - дифференциальное со-
противление стабилитрона.

Если полученные показатели нс отвечают требованиям разработчика,
то необходимо применять более сложные компенсационные стабилизаторы
(с регулируемым транзистором и обрат ной связью).

Пример расчета параметрического стабилизатора с нагрузкой

Пусть задано', стабилитрон Д814 с параметрами:

t7CT = 9,3 В при 7СТ = 1,5 мА; (по эксперименту)

Ртм - 340 мВТ (из справочника);

/<, = 700 Ом (0.7 кОм);

t7n.min = 10.5 В.

г _ _ 9,3 _

Ток нагрузки: р ~ q -7 “ мЛ •

Сопротивление резистора по формуле (5.3):

Я1 =

Г и1 .

1Д min _

\ i min

1 -0,7 = 0.09 кОм.

Принимаем = 100 Ом с допуском ±10 %.

Максимально допустимый ток стабилитрона А-i.max по формуле (5.5):

Р 340

max = =----= 35, 4 мА,

^сттах 9.6

TCi.max = 9.6 В (определено экспериментально при токе /ст.шах = 35 мА, или
вычисляется по формуле (5.6) при известном /ст.тах из справочника).

Принимаем /ст.тах = 35 мА.

Ток нагрузки при Ucr.max’

7 тях = —= 13,7мА.
птах R 0J
Максимальный ток резистора R1:

/п.тах = /ст.тах /н.тах ' ’ 35 + 13,7 48,7 мА.

Принимаем /п.тах = 50 мЛ.

Максимальное напряжение на резисторе /?1:

/ Л1 max = ’/п.тдх = 0,1'50 = 5 В.

Максимальное напряжение источника питания:

/ птах max + //ст.тах — 5 + 9,6 ~ 14,6 В.

Мощность рассеяния резистора /?1:

A?l = Ur\ max /и max 5 В'50 мА = 250 мВт.

С учетом необходимого запаса принимаем мощность рассеяния рези-
стора R1 - 0,5 Вт. По резулы а гам расчета следует использовать резистор
/?1 (например, типа МЯТ): МДТ-0,5-1000м ± 10 %.

Коэффициент стабилизации 7/сТ:

п ст.ном

СТ

СТ 11.НОМ

где А(/п = //п.тах “ /7 п.тт = 14,6 — 10,5 = 4,1 В;

геном

4 1

-+Z/'n.min = ^- + 10,5=12,5B;

А//Ст = //ст.тах - /7cT.min “ 9,6 - 9.3 = 0.3 В;

ст. ном

ст.min

0,3

4- + 9,3 = 9.45 В;

<4*

4,1-9,45

0.3-12,5

= 10,3.

Рассмотрим некоторые другие варианты применения стабилитронов.
На рис. 5.23 представлена схема селектора по уровню (а) и его графическая
характеристика (б). Схема внешне подобна схеме параметрического стаби-
лизатора, однако отличие в том, что выходное напряжение снимается с ре-
зистора RI, включенного последовательно со стабилитроном. Из принципа
работы стабилитрона ясно, что пока входное напряжение не достигнет зна-
чения Ец = Z/cT.min, стабилитрон ток нс проводит. Далее приращение вход-
ного напряжения будет выделяться на резисторе и это будет выходным
напряжением схемы:

/ ^ВЫХ / ВХ — Е0, ДЛЯ (-ВХ ’ ЕО.
Рис. 5.23. Схема селектора по уровню (д)
и его графическая харакгеристика (р)

Рис. 5.24. Селекция сигнала

по уровню

Применяя такую схему, можно обеспечить селекцию по уровню, вы-
брав соответствующее значение EQ.

Если входное напряжение меньше £<„ то (7ВЬ1Х = О В. На выход прохо-
дит только та часть входного напряжения, которая превышает значение £0
(рис. 5.24).

В частности, это используется в схемах входных модулей программи-
руемых логических контроллеров (ПЛК) для выделения сигналов, соответ-
ствующих уровню логической единицы. Фрагмент схемы одного канала та-
кого модуля показан на рис. 5.25 [38].

В состав канала входят следующие элементы:

• входная цепочка (UZ, R], 6’1);

• пороговый элемент VD\;

• светодиодный индикатор VD2;

• гальваническая развязка на отроне VU1.

Рис. 5.25. Фрагмент принципиальной схемы
одною канала модуля ввода ПЛК
При достаточном уровне входного напряжения открывается стаби-
литрон ЮТ (выполняет функцию порогового элемента для селекции
уровня входного сигнала) и ток, О1раничиваемый резистором Л2, проходит
через светодиодный индикатор KD2 и светодиод оптрона Kt/1. Свет свето-
диода обеспечивает открытое состояние фототранзистора оптрона К1/1 и
нулевой уровень выходного сигнала. При низком напряжении на входе ка-
нала стабилитрон Г7)1не проводит ток, при этом отсутствует засветка фо-
тотранзистора оптрона FT71. При запертом фототранзисторе выходное
напряжение соответствует уровню логической единицы. При необходимо-
сти последующее инвертирование выходного сигнала (на схеме инвертор
не показан) обеспечивает соответствие единичных сигналов на входе и вы-
ходе канала.

Стабилитроны могут быть использованы в различных ограничителях
напряжения (рис. 5.26, я, б).

Рис. 5.26. Ограничители на стабилитронах:

а - односторонний; б - двухсторонний; (7пр - падение напряжения
на стабилитроне прямого включения (первый квадрант)

Кроме односторонних, применяются и двухсторонние стабилитроны,
условное изображение и работа которых показаны на рис. 5.26, б.

Стабилитроны могут с успехом применяться в схемах формирования
импульсов. Так, например, при наличии синусоидальною входного напря-
жения колоколообразные импульсы можно получить, используя простей-
шую схему формирователя, приведенную на рис. 5.27.

Схема состоит из последовательно включенного кремниевого стаби-
литрона КО 1, резистора Л1 и диода VD2. На резисторе /?1 будет выделяться
та часть положительной полуволны входного напряжения, которая лежит
выше уровня стабилизации стабилитрона ИТ) 1. Диод VD2 служит для выде-
ления импульсов только положительной полярности.

17)1

Рис. 5.27. Формирователь колоколообрашы\ импульсов

Остроконечные импульсы можно получить дифференцированием.
Подобная схема приведена на рис. 5.28. Дифференцирование осуществля-
ется цепочкой C2R2. Диод VD2 служит для выделения остроконечных им-
пульсов положительной полярности.

Для четкой работы этой схемы необходимо, чтобы входное напряже-
ние было значительно больше напряжения стабилизации стабилитрона
И£)1. Поэтому для уменьшения потерь на сопротивлении R1 в схему введен
конденсатор С1.

Рис. 5.28. Формирователь остроконечных импульсов

Можно отметить, что в данной схеме использованы все элементы, ко-
торые были рассмотрены ранее: резисторы, конденсаторы, диод, стабилит-
рон, дифференцирующая цепочка.

На рис. 5.29 приведена еще одна интересная схема формирования
импульсов, соответствующих моментам прохождения синусоидального
напряжения через ноль. Первоначально это напряжение выпрямляется мо-
стовым двухполупериодным выпрямителем (на схеме не показан) без кон-
денсатора фильтра и затем подается на вход формирователя импульсов.

Схема работает следующим образом. При нарастании напряжения
очередной полуволны на входе формирователя на стабилитроне нарастает
напряжение и ограничивается на уровне стабилизации. За время действия
полуволны заряжается конденсатор С через открытый диод VD2 до уровня
Uc = с полярностью «+» со стороны стабилитрона. Далее напряжение
полуволны начинает понижаться. С момента, когда становится меньше
иСг, начинается разряд ранее заряженного конденсатора С через рези-
стор/?/, внутреннее сопротивление источника входною сигнала и рези-
стор R2. Этот процесс продолжается до тех пор, пока входное напряжение
не достигнет нуля и начнет снова повышаться. При его повышении ток раз-
ряда конденсатора начинает уменьшаться и достигает нуля, когда вновь
напряжение ограничивается стабилитроном. Следует иметь в виду, что на
выходе амплитуда импульсов будет равна

Рис. 5.29. Формирователь импульсов

1 । । ।

t ПЫХ I

I I I

—-----------(у

7?1 + 7?2 ’

Рассмотренные схемы позволяют получить наглядное представление
о возможностях применения стабилитрона, как элемента схем, а также
навыки анализа работы устройств с использованием рассмотренных ранее
элементов.

Кроме стабилитронов, могут использоваться и, так называемые, «ста-
бисторы».

Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется ветвь
ВЛХ первого квадранта (в прямом включении). ВЛХ стабистора показана
на рис. 5.30. Такая ВЛХ создается технологически. Стабистор-диод, у ко-

Рис. 5.30. В \Х стабистора

торого прямое падение напряжения значи-
тельно больше, чем у обычного диода, и при-
мерно постоянное при изменении тока в широ-
ких пределах. То есть стабисторы применяют
при необходимости стабилизации относи-
тельно низких напряжений.

Стабилитроны и стабисторы могут со-
единяться последовательно, но не парал-
лельно.
5.3. Специальные диоды

К специальным диодам можно отнести: светодиоды, фотодиоды, маг-
нитодиоды, диоды Шоттки.

Светодиоды

Светодиодом принято называть полупроводниковый прибор, при по-
даче напряжения на который происходит излучение света - как видимой,
так и не видимой части светового диапазона.

Светодиоды являются полупроводниковыми приборами, обладаю-
щими свойством создавать оптическое излучение определенного спек-
трального состава при прохождении через них прямого тока [39]. Таким об-
разом, светодиод осуществляет преобразование электрического тока в оп-
тическое излучение (видимое или инфракрасное).

Но назначению и применению можно выделить две группы светоди-
одов: индикаторные и осветительные.

Индикаторные светодиоды

Одним из первых применений светодиодов было их использование в
качестве индикаторов вместо лампочек накаливания. При этом значительно
снижаются энергозатраты на индикацию, габариты индикатора и резко по-
вышается их надежность (срок службы).

К другим достоинствам светодиодных индикаторов можно отнести
высокое быстродействие, устойчивость к механическим воздействиям, воз-
можность использовать различное цветовое свечение, кроме того, они
легко согласуются с транзисторными ключами.

Кроме простых светодиодных индикаторов, широко применяются
цифровые индикаторы, представляющие собой комбинацию определен-
ного числа светодиодов (в виде полос или точек), а также многоцветные
светодиоды (RGB).

Для примера в табл. 5.3 приведены технические характеристики све-
тодиодов DIP (Direct In-line Package - корпус с прямым расположением вы-
водов- рис. 5.31) [40].

Рис. 5.31. Обозначение выводов анода и катода
у светодиодов DIP
Расшифровка маркировки круглых светодиодов 3 мм:

3mm Rea ЗОтса 20

Этт - диаметр светодиода - 3 мм;

Red - цвет свечения светодиода: red - красный;

30mcd - сила света светодиода: 30 мкд;

20 - угол рассеивания света: 20°.

Таблица 5.3

Технические характеристики индикаторных светодиодов 1)11*

Светодиоды круглые
Вид Серия Цвет Сила света, мкд Рабочее напряжение, В Ток, мА
3mm Green 30mcd 20 Зеленый 30 1,8-2 20
3 mm Orange 30mcd 20 Оранжевый 30 2-2,3 20
3mm Red 30mcd 20 Красный 30 1.8-2 20
3mm Red/Grcen 30mcd 20 Красный и зеленый 300-500 2-3,4 20 !

В табл. 5.4 приведены технические характеристики некоторых отече-
ственных индикаторных светодиодов, к которой необходимо указать си-
стемы обозначений индикаторных светодиодов [41 ].

По старой системе светодиоды обозначались двумя буквами: первая
указывала на исходный материал, вторая являлась признаком, что данный
прибор - индикатор. Например, светодиод АЛ 102 расшифровывается так:
А - арсенид - галлия или фосфид галлия; Л - индикатор (единичный);
102 - порядковый номер разработки. Позднее по ОСТ 11.339.015-81 полу-
проводниковые приборы, выполняющие функцию индикации, стали обо-
значаться восемью элементами:

1. И - индикатор.

2. П - полупроводниковый.

3. Д - светодиод единичный.

4. Номер разработки.

5. Группа, к которой относится прибор.

6. Цифра, указывающая число светодиодов в индикаторе.
7. Буква, обозначающая цвет свечения (К - красный; Л - зеленый; Г -
голубой; Ж - желтый; Р - оранжевый; С - синий; М - многоцветный).

8. Цифра, обозначающая модификацию прибора ( например. 5 - это при-
бор бескорпусной).

Например, прибор КИПД03А-1Ж-5 означает: индикатор полупровод-
никовый из единичного светодиода, без схемы управления, группы А, жел-
того цвета свечения, бескорпусной (первая буква К указывает, что прибор
широкого общепромышленного применения).

Таблица 5.4

Технические характеристики отечесгвенных
индикаторных светодиодов (выборка)

Тип светодиода Прямое напряжение t/np. в Прямой ток, /пр, мА Обратное напряжение t/обр, В Исполнение
АЛ 102 2,8 20 2 В металлостеклянном корпусе
АЛ 316 2,0 10 — В пластмассовом корпусе
АЛ 120 2,0 50 — В металл ос текли ином корпусе. ИК диапазон
АЛ 115 2,0 50 4 В пластмассовом корпусе. ИК диапазон
АЛ 307А 2,0 10 2 В пластмассовом корпусе
АЛ 307В 2.0 20 2
ИПД04А-1К 2,0 10 2 В металлостеклянном корпусе
КИПД02А-1К 1.8 4 3 В пластмассовом корпусе

Как видно из табл. 5.3 и 5.4, напряжение на индикаторном светодиоде
составляет 1,7-3 В при токе 10-20 мА.

С учетом относительно небольшого падения напряжения на светоди-
оде при прохождении через него прямого тока, обычно его включают в
схему последовательно с резистором, которым задается требуемый ток че-
рез светодиод (рис. 5.32).

Общее У ГО светодиодов - SZ •

На схемах светодиод обозначают как VD (общее обошачение). Если
желательно отметить его использование как индикатора, может использо-
ваться обозначение HL. Для светодиодов, используемых для осветительных
целей, можно использовать обозначение EL.
Рис. 5.32. Схема
включения
светодиода

Рис. 5.34. Схема
включения светодиода
в сеть переменною тока

Рис. 5.33. Схема зашиты
единичною индикатора
при отрицательных выбросах

Если ожидается наличие отрицательных выбросов в напряжении ис-
точника питания, светодиод защищают включением последовательно с ним
кремниевого диода (рис. 5.33).

При работе светодиодного индикатора на переменном токе необходимо
предусмотреть защиту от воздействия обратного напряжения (рис. 5.34). Как
видно из табл. 5.4, допустимые значения обратного напряжения для индика-
торных светодиодов очень небольшие.

Осветительные светодиоды

В настоящее время мощные светодиоды стали применяться и для це-
лей освещения (в быту, в автомобильных осветительных приборах и т. д.)
в виде светодиодных ламп и лент.

В качестве осветительных светодиодов используются SMD светоди-
оды (для поверхностного монтажа). В своей конструкции они имеют полу-
проводниковый чип или кристалл, установленный на подложку. Снизу рас-
положены контакты для подключения. Каждый такой светодиод закрыва-
ется в корпусе, который напрямую можно припаивать к плоской по-
верхности. О популярности данного типа могут свидетельствовать следую-
щие цифры. Общее количество производимых светодиодов SMD. только в
корпусе 2835, за год составляет несколько миллиардов штук 140].

Для примера на рис. 5.35 показана конструкция светодиода типораз-
мера 2835.

Маркировка светодиодов 2835:

2835 WWC 5

2835 - типоразмер корпуса: 2,8*3,5 мм;

WWC - цвет светодиода:

5 - мощность светодиода: 2-0.2 Вт; 5 -0.5 Вт.
Полярность светодиода типоразмера 2836

Рис. 5.35. Конструкция светодиода типоразмера 2835
с указанием полярности и признака катода на корпусе

В табл. 5.5 приведены для примера технические характеристики све-
тодиодов SMD в сравнении с такими же характеристиками лампы накали-
вания мощностью 100 Вт.

Таблица 5.5

Сравни тельные технические характеристики свеюдиодов SMD

100 Вт 3528 5050 5630 5730
£ *
Размер. 10 1 мм ЬОО х750 35x28 50x50 56x30 57x30
Мощность, Вт 100 П.11 0.3 0.5 0.5
Ярка ть, люмен 1300 6.5 25 57 60
Угол обзора, град 240 120 120 120 120
Un иг, В 200 3,3 3.3 3,4 3.4
Время работы, ч 1ОХ) 30 000 30 000 30 000 30 000
Яркость, ЛМ/СМ.КВ 31 66 10U 340 350
Яркость, лм/вт 13 60 83 114 120

В табл. 5.5 наглядно показаны эксплуатационные преимущества SMD
светодиодов по сравнению с лампой накаливания, что и обеспечивает их ши-
рокое применение в настоящее время. Такие светодиоды с успехом приме-
няются в современных светодиодных лампах (LED - лампы, от сокращения
английских слов Light Emitting Diode, рис. 5.36), светодиодных лентах для
освещения, в прожекторах, в автомобильных осветительных приборах и т. д.

Рис. 5.36. Светодиодная лампа со снятым матовым колпаком.
По окружности расположены SMD-светодиоды

Применение светодиодов

Как отмечалось ранее, светодиоды широко используются в различных
устройствах автоматики. Пример применения индикаторных светодиодов
типа АЛ 307 в устройстве сигнализации заданной температуры [41 ] показан
на рис. 5.37.

HL I (зеленый)

АЛ 307В

//А2( красный)

АЛ 307А

Рис. 5.37. Схема индикации заданной температуры

Датчиком темпера! уры является терморезистор А1. При температуре,
ниже заданной, его сопротивление большое, транзистор ГЛ заперт , что вы-
зывает свечение светодиода HL2 красного цвета. При достижении заданной
температуры сопротивление терморезистора /?1 уменьшается, что приводит
к отпиранию транзистора ГЛ, уменьшению напряжения на его коллекторе
и, как следствие, погасанию светодиода HL2 и свечению светодиода HL 1 зе-
леного цвета. Следует обратить внимание, что в этой схеме светодиоды обо-
значены как HL, поскольку они выполняют функцию индикации.

На рис. 5.38 показан принцип счета заготовок на конвейере с исполь-
зованием светодиода EDI как осветителя и фотоприемника (ФП - фоторе-
зистор, фотодиод, фотогранзистор).
Рис. 5.38. Счет предметов на движущемся конвейере

Фотодиоды

На рис. 5.38 в паре со светодиодом должен быть фотоприемник ФП.
В качестве ФП широко применяются фотодиоды [49]. Фотодиод - полу-
проводниковый прибор, который выполняет обратную по сравнению со
светодиодом функцию, т. е. позволяет преобразоват ь оптическое излучение
в электрический сигнал. Общее У]'О фотодиода имеет вид У ГО обычного
диода, но с добавленными двумя стрелками, направленными к изображе-
нию диода, что означает чувствительность к оптическому излучению:

Анод

Катод

Буквенное обозначение фотодиода на схемах, как у всех диодов - VD.
Принцип работы фотодиодов основан на использовании фотоэлектриче-
ского эффекта на р-п- переходе, который может быть вентильным и внут-
ренним. Использование того или иного эффекта определяет режим работы
фотодиода. Вентильный фотоэффект заключается в том, что световая энер-
гия, воздействующая на /?-/?-переход, приводит к возникновению фотоЭДС
на этом переходе. Такой режим работы фотодиода называется фотогенера-
торным - режим А (другие названия: фотогальванический или вентильный)
и не зребует наличия источника питания, поскольку фотодиод сам выраба-
тывает фотоЭДС. Другой режим - Б называется фотопреобразовательным
(фотодиодным) и основан на использовании внутреннего фотоэффекта, ко-
торый состоит в изменении электропроводности запертого /^-//-перехода
под воздействием световой энергии. Схемы включения фотодиодов в режи-
мах А и Б показаны на рис. 5.39 [42].

Как видно из рис. 5.39, а, в режиме А внешний источник питания от-
сутствует. Эту функцию выполняет сам фотодиод, на выводах которого об-
разуется фотоЭДС с полярностью, указанной на рисунке («+» на аноде,«-»
на катоде). При наличии нагрузки /?„ через нее потечет ток /н за счет напря-
жения t/фд на выводах фотодиода. Основным параметром фотодиода явля-
ется интегральная токовая чувствительность Аф. показывающая изменение
фототока 7ф через фотодиод при изменении интенсивности светового по-
тока Ф: Аф = б//ф/(/Ф. Значение Аф в широких пределах уровней освещенно-
сти остается неизменным, что свидетельствует о прямо-пропорциональной
зависимости фототока от светового потока. Интегральная чувствитель-
ность фотодиодов имеет порядок нескольких десятков мА/лм.

Рис. 5.39. Схемы включения фотодиодов:
а - режим А: б - режим Б

Другим важным параметром фотодиодов является спектральная ха-
рактеристика. Этот параметр необходимо обязательно принимать во вни-
мание при использовании пар светодиод - фотодиод при различных приме-
нениях, перечисленных ранее. В этих случаях эти пары обязательно
должны обладать одинаковыми спектральными характеристиками.

Рис. 5.40. Зависимость тока нагрузки
от интенсивности световою потока

В режиме Б на фотодиод подается напряжение от внешнего источника
в обратной полярности 17п (рис. 5.39, б). Фотодиод работает как переменное
сопротивление в зависимости от освещенности. Рабочий перепад напряже-
ния представляет собой разность напряжений на нагрузке при темновом и
световом сопротивлении фотодиода. Следует отметить, что ток нагрузки
зависит только от интенсивности светового потока и практически не зави-
сит от напряжения внешнего источника питания С/п. (рис. 5.40).

На рис. 5.41 и 5.42 приведены примеры схем с использованием фото-
диодов в режимах Л и Б. Там же кратко отмечены особенности фотодиодов
в этих режимах.

Режим А:

• работает как источник;

• отсутствие темнового тока в цепи
нагрузки;

• низкий уровень шумов;

• возможность включения без
внешнего источника тока;

• частота работы ограничена ~ 10 кГц.

Рис. 5.41. Схема с использованием фотодиода в режиме А

Режим Б:

• наличие фототока и темнового тока;

* малая инерционность;

• частота модуляции (импульсов) -
100 и более кГц;

• слабое влияние на величину тока
подводимого напряжения;

• линейность вольт-амперной
характеристики.

Рис. 5.42. Схема с использованием фотодиода в режиме Б

Примеры конструктивного оформления фотодиодов показаны на
рис. 5.43. Их отличительной особенностью является наличие участка кор-
пуса (окошечка) прозрачного для света.

Рис. 5.43. Внешний вид некоторых фотодиодов
Фотодиоды с черным корпусом (центральная часть рисунка) предна-
значены только для ИК излучения. Черное покрытие выделяет ИК-спектр
для исключения воздействия излучений других спектров. Информацию по
конструкциям, типам, характеристикам и обозначениям фотодиодов можно
найти в литературе [43-46,49].

Фотодиоды применяют в устройствах счета деталей на конвейере
(рис. 5.38), считывания информации с перфоленты, оптической защиты, в
световых автоматах, преобразователях угла поворота в код и так далее. При
конструировании аппаратуры с фотодиодами следует обратить особое вни-
мание на стабилизацию температурного режима фотодиодов, так как эти
элементы обладают недостаточной температурной устойчивостью.

Магнитодиоды

Магнитодиод является полупроводниковым прибором, который рабо-
тает на принципе изменения сопротивления диода в зависимости от напря-
женности магнитного поля. УГО магнитодиода - ф]

Магнитодиоды применяют, например, для пост роения датчиков тока
в схемах электропривода. Поскольку у этих элементов значительная зави-
симость от температуры, обычно используется мостовая схема включения
магнитодиодов.

В качестве примера на рис. 5.44 приведена схема датчика тока элек-
тропривода ЭТ-6, с применением магнитодиодов [47]. Датчик тока предна-
значен для передачи на вход регулятора тока сигнала обратной связи, про-
порционального току якоря электродвигателя. Датчик тока выполнен на ос-
нове магнитодиодов Д501 и Д502. включенных в мостовую схему из
резисторов /?507,7?508 и /?506 для балансировки датчика тока.

Для защиты от высокочастотных помех магнитодиоды шунтированы
конденсаторами С505, С506 (6800 пФ).

Включение магнитодиодов по мостовой схеме позволяет исключить
влияние уравнительных токов, протекающих по цепи 50-52, 51-52, по-
скольку при одинаковой величине этих токов напряжение в диагонали мо-
ста будет равно нулю, что обеспечивается его балансировкой с помощью
резистора 7?506. При вращении электродвигателя в том или ином направле-
нии токи в указанных цепях силовой схемы оказываются не равными, что
приводит к соответствующей разбалансировке моста и появлению напря-
жения в его диагонали, пропорционального разности токов. Это напряже-
ние усиливается с помощью дифференциального усилителя (ДУ), выпол-
ненного на операционном усилителе /4501 (коэффициент передачи ДУ
около 51) и поступает на один из входов регулятора тока.
Рис. 5.44. Схема да1чика тока электропривода ЭТ-6
(обозначения элементов приведены по принципиальной схеме электропривода)

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки (по имени немецкого физика Вальтера Шоттки
(Schottky), открывшего физический эффект, оказавшийся исключительно
полезным для интегральной электроники) - это полупроводниковые при-
боры, выполненные на основе контакта металл - проводник [2, 48].

Их отличительная особенность - малое падение напряжения при пря-
мом включении. Это с успехом используется в импульсных блоках питания
с выпрямителями на диодах Шоттки, что обеспечивает меньшие потери
мощности по сравнению с обычными диодами с /э-л-переходами (в 1,5-2
раза); для повышения быстродействия биполярных транзисторов за счет ис-
ключения режима их насыщения в интегральных схемах. В специальной
литературе используется и другое название - диоды с барьерами Шоттки.

УГО диода Шоттки -

По принципу действия диоды Шотгки существенно отличаются от
обычных диодов, работа которых основана на свойствах электронно-ды-
рочного /?-/7-псрехода. В р-л-переходе, смещенном в прямом направлении,
перенос тока обусловлен инжекцией неосновных носителей из одной обла-
сти полупроводника в другую, вследствие чего после переключения прило-
женного напряжения с прямого на обратное ток протекает некоторое время,
пока избыточная концентрация неосновных носителей не снизится до нуля
(время рассасывания).
В диодах Шоттки накопления неосновных носителей не происходит,
так как перенос тока в них обусловлен переходом (эмиссией) основных но-
сителей из полупроводника в металл. Благодаря этому, их время выключе-
ния очень мало (до 100 пс) и не зависит от температуры. Для /?-л-переходов
это время составляет 1-100 нс.

Другое важное достоинство диодов Шоттки состоит в том, что для от-
пирания их требуется напряжение 0,2-0,4 В против 0.4--0,7 В для диодов с
р-и-переходом и может регулироваться подбором металла, образующего
контакт с полупроводником.

Для сравнения на рис. 5.45 в одинаковом масштабе показаны ВЛХ вы-
прямительного диода с барьерами Шоттки 1 и диода с р-я-переходом 2 для
малых (а) и больших (б) токов [2].

Рис. 5.45. ВЛХ выпрямительною диода с барьером Шоттки I
и диода с /^«-переходом 2 для малых («) и больших (б) токов
Глава 6. ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Переключающие полупроводниковые приборы широко применяются
в промышленной автоматике. Общее название приборов этой i руппы -
тиристор и общее буквенное обозначение I'S. Каждый из них представляет
собой полупроводниковую четырехслойную структуру р-п-р-п, образую-
щую три р-и-перехода.

Если сделаны выводы лишь от крайних областей {р и л), получается
диодный тиристор, называемый бинистором. При дополнительном выво-
де от одной из средних областей образуется триодный тиристор - трини-
стор, и третья разновидность этого класса полупроводников - симистор,
симметричный тринистор. На практике чаще используются названия: ди-
нистор, тиристор, симистор. Динисторы управляются приложенным к ним
напряжением, тиристоры и симисторы с помощью отдельного управляю-
щего электрода. Отличие тиристоров от симисторов заключается в том,
что первые способны проводить ток только при положительной полуволне
питающего напряжения, тогда как симисторы работают при обеих полу-
волнах и эквивалентны как бы двум включенным встречно-параллельно
тиристорам.

Рассмотрим особенности этих интересных полупроводниковых при-
боров.

6.1. Динисторы

Четырехслойная структура динистора, его У ГО и буквенное обозна-
чение в схемах показаны на рис. 6.1, а, б.

Рис. 6.1. Ci руктура динистора («), УГО
и буквенное обозначение(б)
Вывод от крайнего слоя с проводимостью /?-типа - катод (К) динистора,
а вывод от слоя с проводимостью /7-типа - анод (Л).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) динистора имеет своеобраз-
ный вид, показанный на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Волы-амперная характеристика динистора

На ВАХ отмечены характерные точки, соответствующие параметрам
динистора, которые приводятся в справочниках:

{7Пр - падение напряжения на динисторе в закрытом состоянии;
t/вкл и Лкл - напряжение и ток включения (точка Л);

Лткр.тах - максимально допустимый ток (точка В);

/Уд - ток удержания (точка С);

(Лткр - падение напряжения на динисторе в открытом состоянии;
t/обр.тах - максимально допустимое обратное напряжение.

Рабочему участку ВАХ соответствует полярность напряжения на
выводах динистора такая же, как у обычного диода: «+» на аноде, «-» на
катоде (I квадрант). Запертому состоянию соответствует обратная поляр-
ность (III квадрант).

Обратная ветвь характеристики динистора похожа на такую же ветвь
характеристики обычного полупроводникового диода. Как и в случае с
диодом, подача на динистор обратного напряжения выше допустимого
иоьр. шах может привести к его пробою и выходу динистора из строя.
Маркировка динисторов производится в соответствии с отраслевым
стандартом ОСТ 11.336.919-81 и состоит из четырех элементов.

Например, КН 102 А, где:

• К - кремний;

• Н - динистор (диодный тиристор);

• 102 - порядковый номер разработки;

• А - И - разновидность прибора из данной группы (для динисто-
ров обозначает напряжение включения - см. табл. 6.1).

В табл. 6.1 приведены параметры динисторов группы КН 102 [50].

Таблица 6.1

Параметры динисторов группы КН 102

Динистор t/пр, В 7 вк.1, В /bkji, мА 7/пр.откр. В /откр.тах, мА Дд, мА
КН Ю2А 5 20 5 1,5 200 15
К Н 102Б 7 28 5 1.5 200 15
К Н 102В 10 40 5 1.5 200 15
К Н 102Г 14 56 5 1,5 200 15
К В 102Д 20 80 5 1.5 200 15
К Н 102Ж 30 120 5 1,5 200 15
КН 102И 50 150 5 1,5 200 15

Дополнительно можно указать, что для всех динисторов этой группы
максимальный импульсный ток в открытом состоянии /откр.имп. составляет
2 А, а максимально допустимое обратное напряжение (Абр.тах = 10 В, при
этом ток Дер не превышает 0,5 мА. Обратите внимание: Ц>бР.тах для дини-
сторов относительно небольшое, что необходимо учитывать в практиче-
ских схемах.

Как видно из табл. 6.1, динисторы отличаются друг от друга напря-
жением включения 77вкл, параметром по которому и выбирают этот прибор.

Чтобы познакомиться с работой динистора, рассмотрим схему, со-
стоящую из динистора К51 и резистора /?1 (рис. 6.3, а), подключенную к
источнику питания с изменяемым по величине напряжением Ц,.

Для наглядной иллюстрации работы этой схемы нанесем на ВАХ
динистора нагрузочную характеристику (прямую, которая определяется
резистором А1) (рис. 6.3, б). На горизонтальной оси откладывается точка,
соответствующая напряжению питания Un (например. t7ni)-

Вторая точка нагрузочной характеристики соответствует макси-
мальному значению тока /я (1) через резистор R\ при мысленном его под-
ключении к общему проводу (т. е. без динистора). При значении напряже-
ния Unb имеются гри точки пересечения нагрузочной характеристики и
ВАХ динистора 1, 2 и 3. В исходном состоянии режим схемы определяет-
ся точкой 1 и соответствует закрытому состоянию динистора. При этом
М»ых - имеет высокий уровень, поскольку при относительно малом токе
через динистор, падение напряжения на резисторе Ur\ небольшое.

Рис. 6.3. Схема включения динисгира (а)
и графическая иллюстрация ее работы (б)

При повышении напряжения питания Un до уровня 1/п? рабочая точ-
ка (точка пересечения ВАХ динистора и нагрузочной прямой) перемеша-
ется по участку ВАХ от точки 1 до точки Л. которая соответствует пере-
ключению динистора из закрытого состояния в открытое. При этом новой
устойчивой рабочей точкой будет точка В, которой соответствует низкое
напряжение на открытом динисторе при значительном токе 7в- При
снижении напряжения питания до значения Спз происходит переход дини-
стора в закрытое состояние (скачок из точки С в точку D).

Другим способом выключения является смена полярности напряже-
ния на динисторе на противоположную.

Динамические свойства динисторов характеризуются временем
включения /вкл и временем выключения /,ыкл. Время выключения /НЫк.1 го-
раздо больше (в 10-20 раз).

В гл. 3 была рассмотрена схема временной задержки на основе заря-
да конденсатора с пороговым устройством (рис. 3.15). Если в этой схеме в
качестве порогового устройства применить динистор (рис. 6.4, а), полу-
чим генератор остроконечных импульсов.

Схема работает следующим образом. При замыкании переключателя
SA начинает заряжаться конденсатор по экспоненциальному закону.
Рис. 6.4. Схема генератора импульсов на основе ЯСцепи и динистора (а)
и графическая иллюстрация ее работы (о)

Когда напряжение на конденсаторе Uc, приложенное к цепи KS1 -
R2, становится достаточным для открывания динистора, последний от-
крывается и конденсатор С быстро разряжается через резистор R2, что
приводит к запиранию динистора.

Начинается новый заряд конденсатора и процесс повторяется. На вы-
ходе схемы формируются остроконечные импульсы, связанные с прохож-
дением тока разряда конденсатора через резистор R2.

Кроме рассмотренных, имеются и двунаправленные динисторы,
примером которых может служить широко применяемый в различных
устройствах динистор 1)133 [51]. Он является двунаправленным динисто-
ром, который специально создан для управления симистором или тири-
стором. В основном своем состоянии динистор 1)133 не проводит через се-
бя ток (не считая незначительный ток утечки) до тех пор, пока к нему не
будет приложено напряжение пробоя.

Рис. 6.5. Внешний вид двунаправленною динистора DB3 (и)
и ei о УГО на схемах (б)

В этот момент динистор переходит в режим лавинного пробоя и у
него проявляется свойство отрицательного сопротивления. В результате
этого на динисторе DB3 происходит падение напряжения около 5 В, и он
начинает пропускать через себя ток, достаточный для открытия симистора
или тиристора.

Вольт-амперная характеристики динистора DB3 показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Волы-амперная характеристика
двунаправленною динистора

Применение такого динистора для управления симистором показано
на рис. 6.28.

6.2. Тиристоры

Тиристор - полупроводниковый прибор со структурой р-п-р-п, как у
динистора, но с дополнительным выводом от нижнего слоя «р» (рис. 6.1),
который и является управляющим электродом УЭ.

Рис. 6.7. Условное обозначение тиристора в схемах (а)
и внешний вид т иристора типа КУ202Н (о)
Таким образом, тиристор - прибор с тремя выводами: анод - А, ка-
тод - К и управляющий электрод - УЭ. Условное графическое обозначе-
ние тиристора показано на рис. 6.7, а. Внешний вид тиристора типа
КУ202Н и расположение выводов А, К и УЭ показаны на рис. 6.7, б. Бук-
венное обозначение тиристора - VS.

Вольт-амперная характеристика тиристора в исходном состоянии
(при /уэ = 0, жирная линия) показана на рис. 6.8 и не отличается от ВАХ
динистора.

В Лкл(1); t/BKn(l).

С- /уэ(2);/вкл(2); (/вкл(2).

D- /уэ(3); /нкл(З); £/вкл(3).

/уэ(3)>7уэ(2)>7Уэ(1)Х)

Рис. 6.8. Влияние тока управляющего элск1рода
на напряжение включения тиристора

Роль управляющего электрода становится понятной из рис. 6.8.

На УЭ подается напряжение или импульс с полярностью, которая
соответствует проводящему состоянию р-л-перехода {УЭ - К), т. е. «+» на
УЭ, а «-» на К.

Току /уэ, который проходит по цепи УЭ - К. соответствует опреде-
ленное напряжение включения, которое уменьшается при увеличении то-
ка /уэ (точки А, В, С, D). Следовательно, изменяя величину тока через УЭ,
можно изменять значение напряжения включения тиристора, т. е. управ-
лять моментом его включения. Описанный вариант управления соответ-
ствует управлению «по катоду», т. е. ток проходит по цепи УЭ - К (ниж-
ний переход рг - пг на рис. 6.9).

Однако имеются тиристоры с управлением по аноду, когда ток про-
ходит по цепи анод - УЭ (используется верхний переход р\ - п\). В этом
случае на УЭ подается отрицательный импульс по отношению к аноду
(рис. 6.10, а).

Графическое обозначение тиристора с управлением по аноду пока-
зано на рис. 6.10, б.

Далее будем рассматривать первый вариант управления включением
тиристора, как наиболее распространенный.
Рис. 6.9. Управление по катоду (а)
и УГО 1 ирис юра (о)

Рис. 6.10. Управление но аноду (а)
и УГО тиристора (#)

УЭ выполняет как бы функцию «спускового крючка». После включе-
ния тиристора УЭ теряет свои свойства управления и с его помощью
выключить тиристор нельзя. Варианты управления включением и отклю-
чением тиристоров будут рассмотрены далее.

Маркировка тиристоров отличается от динисторов тем, что призна-
ком тиристоров является вторая буква У, а далее грехзначное число, указы-
вающее порядковый номер разработки и электрические свойства прибора.
Для приборов малой мощности используются номера от 101 до 199, а сред-
ней мощности - от 201 до 299. Четвертый элемент также указывает на раз-
новидность прибора из данной группы, что можно видеть из табл. 6.2.

Термины, определения и буквенные обозначения параметров тири-
сторов определяются ГОСТ 20332-84. Далее приводится ряд основных
параметров тиристоров, по которым их подбирают при разработке раз-
личных устройств автоматики:

• постоянное напряжение в закрытом состоянии тиристора U^-,

• максимально допустимое постоянное напряжение

в закрытом состоянии тиристора баллах;

• постоянное напряжение в открытом состоянии тиристора Uoc;

• постоянное обратное напряжение тиристора (70бр:

• отпирающее постоянное напряжение управления тиристора 1/у.от;

• ток удержания тиристора /уд;

• постоянный ток в открытом состоянии тиристора /ос;

• средний ток в открытом состоянии тиристора /ос.ср;

• отпирающий постоянный ток управления тиристора /у.от;

• рассеиваемая мощность в открытом состоянии тиристора Рос.

В качестве примера эти параметры для двух групп тиристоров при-
ведены в табл. 6.2 [52].
Параметры тиристоров

Таблица 6.2

Тип тиристора Узе.max, В Уибр.ШаХ, В /ос.ср. А Уос, В /у.ОТ) мА Уу.ОТ, В
КУЮ! А 50 50 0.075 <2,5 <12 1.5-8
КУ101Ь 50 50 0,075 <2.5 < 12 1.5-8
КУ101Г 80 80 0.075 <2.5 <12 1.5-8
КУ101Е 150 150 0,075 <2,5 <12 1,5-8
КУ202А 25 10 <1,5 <200 < 7
КУ202Б 25 25 10 <1,5 <200 <7
КУ202В 50 10 <1,5 <200 <7
КУ202 Г 50 50 10 <1,5 <200 <7
КУ202Д 100 10 <1,5 <200 <7
КУ202Е 100 100 10 <1,5 <200 <7
КУ202Ж 200 10 <1,5 <200 <7
КУ202И 200 200 10 <1,5 <200 <7
КУ202К 300 10 <1.5 <200 <7
КУ202Л 300 300 10 <1.5 <200 <7
КУ202М 400 10 <1,5 <200 <7
КУ202Н 400 400 10 <1.5 <200 <7

Как следует из таблицы, постоянное обратное напряжение Собр ука-
зывается не для всех тиристоров, и в случае отсутствия этого параметра
подавать на данный тиристор обратное напряжение не рекомендуется. Для
всех тиристоров при отрицательном напряжении на аноде подача тока
управления не допускается.

Для тиристоров КУ202 рекомендуется между управляющим элек-
тродом и катодом включать резистор сопротивлением 51 Ом.

При коммутации больших токов тиристоры устанавливают на радиа-
торы [53] (рис. 6.11) для обеспечения необходимого теплоотвода, по-
скольку при увеличении тока, который проходит через тиристор в откры-
том состоянии, на нем выделяется значительная мощность, несмотря на
относительно небольшую величину падения напряжения на открытом ти-
ристоре (~ 0,5-3 В).
Рис. 6.11. Тиристор 2У2и2Н на радиаюре

Управление тиристорами

Управление тиристорами сводится к их включению и выключению.
При этом различают схемы управления при питании цепи тиристора о г
источников постоянною и переменного напряжения.

Управление тиристорами при питании
от источника постоянного напряжения

Включение тиристоров

Для включения тиристоров, работающих в цепях постоянного тока,
можно подать на управляющий электрод прибора напряжение источника

постоянною тока положительной по-
лярности (рис. 6.12). При замыкании
ключа SA на управляющий элсклрод ти-
ристора подается сигнал управления.
При этом прибор включается и через не-
ю потечет анодный ток, величина кото-
рого зависит от величины сопротивле-
ния нагрузки 7?н.

Однако недостатком такого спосо-
ба является большой разброс тока УЭ

Рис. 6.12. Включение тиристора

для включения тиристора (например, из-за температуры окружающей сре-
ды). При этом следует выбирать заведомо большой ток УЭ, который обес-

печивает открывание тиристора при изменяющихся условиях.

Практически в качестве ключа SA может быть использован контакт
реле, транзистор, оптрон и т. д. (рис. 6.13). При этом питание цепи УЭ ра-
ционально обеспечить от единого источника Un.

Также рекомендуется подключать резистор R2 (50-100 Ом) между
выводами УЭ и К (рис. 6.12) для уменьшения влияния помех, когда разо-
мкнут контакт SA и УЭ оказывается «в воздухе».
Рис. 6.13. Схемы управления включением тиристора с использованием:
а - контакта реле К1; 6 - транзистора VT1; в - оптрона VU1

Для уменьшения разброса момента открывания тиристора и учиты-
вая, что после его открывания он не реагирует на ток УЭ, чаще использу-
ют импульсный способ включения тиристора. С этой целью обычно при-
меняют ЯС-цепочки (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Схема импульсного
включения гирисгора
с использованием RC- цепочки

Рис. 6.15. Схема включения
тиристора с использованием
трансформатора

При замыкании ключа ток заряда конденсатора С1 в виде им-
пульса пройдет через переход УЭ-К. Короткого импульса достаточно,
чтобы тиристор открылся. При размыкании ключа SA конденсатор разря-
дится через резисторы R] и 7?2 и будет готов к пропусканию следующего
импульса тока. Схема управления тиристором с помощью трансформатора
Т\ показана на рис. 6.15. Диод VI)! служит для защиты транзистора УТ1
от ЭДС самоиндукции в первичной обмотке трансформатора Т\. Диод
VD2 служит для исключения отрицательных выбросов напряжения на
управляющем электроде. В цепях управления тиристорами с успехом
применяют транзисторы, динисторы и т. д.
Однако при формировании импульса на УЭ надо учитывать характер
нагрузки в цепи тиристора.

При активной нагрузке (лампа накаливания, нагреватель и т. п.) ос-
новной ток тиристора нарастает практически мгновенно, и открыть тири-
стор в этом случае можно коротким (единицы микросекунд) управляю-
щим импульсом положительной полярности.

Когда нагрузка индуктивная (например, обмотка электродвигателя),
основной ток тиристора нарастает медленнее, поэтому управляющий им-
пульс должен быть более длительным.

Кроме того, следует помнить, что на управляющий электрод тири-
стора можно подавать только положительное (относительно катода)
напряжение. Если же по условиям работы устройства возможно появление
отрицательного напряжения, следует защищать управляющий переход ти-
ристора, например, включением диода VD2. как показано на рис. 6.15.

Выключение тиристоров

Выключение тиристора осуществляется несколькими способами:
а) уменьшением величины анодного тока, протекающего через
прибор;

б) разрывом цепи тока путем размыкания ключа;

в) шунтированием тиристора каким-либо ключом или конденса-
тором;

г) изменением полярности напряжения на аноде.

Рассмотрим основные способы выключения тиристора при лизании
от источника постоянного тока.

Рис. 6.16. Способы выключения тиристора его шунтированием

На рис. 6.16 показаны способы выключения тиристора параллель-
ным подключением (шунтирование) контакта переключателя SA (а), тран-
зистора УТ (6) и конденсатора С (в). Кратковременное шунтирование ти-
ристора приводит к уменьшению тока через тиристор меньше тока удер-
жания, и он выключается. Для надежного выключения тиристора сопро-
тивление шунтирующего ключа должно быть значительно меньше со-
противления открытого тиристора.

Выключение тириетора таким способом происходит сравнительно
быстро (приблизительно за 100 мкс).

На рис. 6.17 показана интересная практическая схема запирания ти-
ристора изменением полярности напряжения на его аноде.

Рис. 6.17. Схема выключения тиристора
изменением полярности на его аноде

Г5’1 - закрывается

<*)

Схема состоит из основного тиристора KS1, в цепи которого вклю-
чена нагрузка 7?н, дополнительного тиристора VS2 (используется как
ключ) с резистором 7? 1 и конденсатора С1.

Процесс выключения тиристора KS’l показан на рис. 6.17. б, в. При
открытом тиристоре KS1 и закрытом тиристоре KS2 (рис. 6.17, б) конден-
сатор С1 заряжается (с указанной полярностью) током i} через резистор /?1
и открытый тиристор И51 (условно цепь тиристора И51 закорочена) прак-
тически до напряжения питания t/n.

Для выключения тиристора И51 включается тиристор KS2, при этом
заряженный конденсатор С1 подключается (открытый тиристор VS2
условно закорочен) параллельно к тиристору FS1 (рис. 6.17. в), на аноде
которого оказывается отрицательное напряжение конденсатора относи-
тельно катода, что приводит к запиранию тиристора KS1 и перезаряду
конденсатора по цепи 7?,, - открытый тиристор VS2. По окончанию этого
процесса напряжение на конденсаторе будет иметь полярность, противо-
положную рассмотренному случаю (т. е. «+» на левой, по схеме, обкладке,
а «-» на правой).

При новом включении тиристора KS1, конденсатор С1 подключится
параллельно к тиристору VS2 и выключит его (аналогично рассмотренно-
му процессу выключения тиристора Г51). На рис. 6.18 показана схема, где
включение и выключение тиристора KS1 осуществляются кнопками SBI и
SB2 с использованием описанного принципа.
Рис. 6.18. Управление тиристором
с помощью кнопок SB1 и SB2

Управление тиристорами при питании
от источника переменного напряжения

При питании схемы с тиристором от источника переменного напря-
жения задача его выключения значительно упрощается. Поскольку тири-
стор проводит ток только при положительной полуволне питающего
напряжения, то уменьшение напряжение полуволны до нуля, а тем более
изменение полярности ни тающего напряжения при переходе на отрица-
тельную полуволну приводит к выключению тиристора.

Поэтому для обеспечения прохождения тока через нагрузку при по-
ложительных полуволнах необходимо при каждой такой полуволне обес-
печивать условия для включения тиристора, т. е. при положительной полу-
волне тиристор будет открываться, при прохождении нуля и отрицательной
полуволне он будет закрыт, а при новой положительной полуволне опять
открываться и так далее.

Таким образом, необходимо, чтобы прохождение тока через УЭ бы-
ло привязано к началу положительной полуволны питающего напряжения,
т. е. должна быть обеспечена синхронизация подачи тока УЭ с положи-
тельной полуволной питающего напряжения.

Рассмотрим простую схему (рис. 6.19. а), содержащую нагрузку (ре-
зистор Ru), тиристор (И51) и схему управления тиристором (£41, /?1, R2).
Питание обеспечивается от источника переменного напряжения. Осцил-
ло! раммы напряжения на нагрузке при изменении параметров цепи
управления тиристором приведены на рис. 6.19, б (2-5). На осциллограм-
ме 1 показана форма синусоидального питающего напряжения Un, где
знаками «+» и «-» отмечены положительные и отрицательные полуволны.

Пусть вначале движок резистора R2 установлен в верхнее по схеме
положение.
Рис. 6.19. Схема управления нагрузкой через тиристор
при питании от ист очника переменною напряжения (а)
и осциллограммы напряжения на нагрузке (0)

При замыкании переключателя SA 1 тиристор открывается с началом
положительной полуволны (осциллограмма 2 рис. 6.19, б) и напряжение
на нагрузке будет повторять ее форму. При отрицательной полуволне ти-
ристор не может проводить ток, а для защиты перехода «управляющий
электрод - катод» от обратного напряжения служит диод k'Dl.

При увеличении сопротивления в цепи УЭ (перемещением вниз
движка резистора 7?2) напряжение на резисторе 7?н будет в виде положи-
тельных полуволн, но с обрезанным началом (осциллограммы 3 и 4). Это
связано с тем, что при увеличении сопротивления в цепи УЭ для обеспе-
чения тока включения тиристора требуется большее напряжение, т. е. мо-
мент включения тиристора смещается к максимальному значению полу-
волны питающего напряжения.

Дальнейшее увеличение сопротивления в цепи УЭ приведет к тому,
что тиристор перестанет открываться.

Понятно, что, если разомкнуть контакт переключателя SA 1, при пер-
вом же прохождении питающего напряжения через нуль тиристор закро-
ется, и больше не будет открываться, поскольку не будет тока в цепи УЭ.

Таким образом, изменением величины управляющего тока, что свя-
зано с амплитудой напряжения на управляющем электроде, удается регу-
лировать мощность на нагрузке в ограниченных пределах. В этом суть
амплитудного метода управления тиристором (его называют также вер-
тикальным управлением).
Если же необходимо получить большие пределы регулирования, ис-
пользуют фазовый метод. Включение тиристора производят импульсами,
подаваемыми на управляющий электрод и синхронизированными с нача-
лом положительной полуволны питающего напряжения.

Изменяя величину фазового сдвига а (осциллограмма 5 рис. 6.19, о)
от начала полуволны до момента подачи импульса на управляющий
электрод тиристора, можно изменять момент включения тиристора (этот
метод называют также горизонтальным управлением). Такая схема управ-
ления показана на рис. 6.20.

Рис. 6.20. Схема управления тиристором
по фазовому меч оду

Новыми элементами в схеме являются конденсатор С1, динистор
KS1 и резистор R3. Заряд конденсатора будет происходить с постоянной
времени Т = (7? 1 + /?2)-С1 до напряжения, при котором открывается дини-
стор и на УЭ тиристора поступает импульс разряда конденсатора,
обеспечивающий надежное включение тиристора. Резистор R3 обеспечи-
вает шунтирование цепи УЭ - катод.

Поскольку обратное напряжение для динисторов относительно не-
большое, для исключения заряда конденсатора С1 при отрицательных по-
луволнах питающего напряжения (7П, ему параллельно подключен диод
FD1. Изменяя Т, можно в широких пределах (по отношению к положи-
тельной полуволне питающего напряжения) изменять момент включения
тиристора.

В итоге пределы изменения среднего тока через нагрузку, а значит,
выделяющейся на ней мощности значительно расширятся.

Схема, которая обеспечивает привязку импульсов управления отно-
сительно полуволны питающего напряжения и управление моментом их
подачи на управляющий электрод тиристора, называется схемой импульс-
но-фазового управления (СИФУ).
Длительность управляющего импульса может быть очень маленькой,
что позволяет увеличить не только надежность отпирания тиристоров, но
и уменьшить время задержки между сигналом управления и нарастанием
анодного тока прибора. Однако длительность импульса управления выби-
рается такой, чтобы обеспечить достижение анодным током величины,
превышающей значение тока удержания. Если нагрузка имеет индуктив-
ный характер, то время нарастания анодного тока будет больше, чем в
случае активной нагрузки. Следовательно, длительность самого короткою
импульса управления, который может быть использован для включения
тиристора, зависит от характера нагрузки в его анодной цепи.

Падение напряжения на открытом тиристоре Ъо^кр не превышает
1 ...2 В и мало зависит от величины напряжения питания Un.

Тиристоры обеспечивают КПД около 95-99 %. Они являются прак-
тически «идеальными» ключами, которые обладают очень большим со-
противлением в закрытом состоянии и малым сопротивлением в открытом
состоянии.

Для повышения эффективности схемы желательно использовать оба
полупериода питающего напряжения. Такие схемы будут рассмотрены
далее, в примерах применения тиристоров.

Примеры применения тиристоров

Некоторые примеры применения тиристоров уже были описаны ра-
нее. Рассмотрим еще несколько примеров практического применения ти-
ристоров. На рис. 6.21, а представлена схема тиристорного ключа для
нагрузки с питанием переменным синусоидальным напряжением и ис-
пользованием обеих полуволн.

Рис. 6.21. Схема включения nai рузки одним тиристором (а),
и осциллограмма напряжения на нагрузке (о)

Особенностью схемы является наличие только одного тиристора при
использовании обеих полуволн сетевого переменного напряжения 220 В.
Это обеспечивается применением выпрямительного моста (1791 - ИМ), в
одну из диагоналей которого подключен тиристор KSI. Включение тири-
стора обеспечивается переключателем £41 и резистором 7?1. Назначение
резистора R2 было описано ранее. В качестве нагрузки может исполь-
зоваться осветительная лампа, нагреватель и т. п.

При разомкнутом контакте SA 1 тиристор выключен, поскольку через
его управляющий электрод ток не проходит.

При замыкании контакта SA 1 с началом полуволны начинает нарас-
тать ток управляющего электрода, который определяется, главным обра-
зом, резистором 7?1, что приводит к включению тиристора Г51. При его
включении ток проходит (при положительной полуволне) от вывода / се-
ти, через нагрузку 7?н, диод ИР1, тиристор FS1, диод VD2, к выводу 2 сети.

При отрицательной полуволне питающего напряжения (полярность
указана в скобках) ток идет от вывода 2, через диод VD3, через тири-
стор И5'1, через диод Р7М, через нагрузку Rlh к выводу / сети. Осцилло-
грамма напряжения на нагрузке показана на рис. 6.21. б.

В тех случаях, когда необходимо регулировать величину тока через
нагрузку, можно применить простую схему импульсно-фазового управле-
ния с использованием RC цени и динистора И51 (рис. 6.22).

Рис. 6.22. Схема регулирования тока через нагрузку R»
с использованием диодно! о моста и тиристора

Управление моментом подачи импульса на управляющий электрод
осуществляется изменением сопротивления резистора 7?2, что влияет на
время заряда конденсатора С1 до напряжения включения динистора Г51.
Высокоомный резистор R3 необходим для разряда конденсатора С1 при
отключении питания от сети или размыкании контакта переключате-
ля 5,41. Понятно, что могут использоваться и другие схемы СПФУ. Здесь
показана возможность использования схемы формирования импульсов,
которая, во-первых, уже была рассмотрена, а во-вторых, тем самым пока-
зывается что, зная принцип работы схемы, ее можно с успехом использо-
вать и в ряде других подходящих случаях.
Схема регулятора переменного напряжения с использованием двух
тиристоров, включенных встречно-параллельно, показана на рис. 6.23, а.
В этом случае отпадает необходимость использования мостового выпря-
мителя, как в предыдущей схеме.

Рис. 6.23. Схема регулятора переменно»о напряжения (а)
и осцилло! раммы ею работы (о)

В составе регулятора имеется СИФУ тиристорами CS1 и VS2, кото-
рая обеспечивает изменение момента подачи импульсов включения тири-
сторов (угол управления а) относительно начала полуволны сетевого
напряжения [/с. С этой целью на входы СИФУ поступают напряжение Uc
и напряжение управления Ц, в зависимости от которою изменяется угол
управления а.

Осциллограммы, иллюстрирующие работу регулятора напряжения
приведены на рис. 6.23, б. Угол щ определяет момент подачи тока управ-
ления Zynpl на тиристор CS1, который открывается при положительной по-
луволне сетевого напряжения (7С, а ток /упр2 открывает тиристор VS2 при
отрицательной полуволне Uc. Тиристор JS1 выключается при снижении
положительной полуволны до нулевого значения.

Осциллограмма напряжения на нагрузке Ui{ (рис. 6.23, б) показыва-
ет, что форма напряжения значительно отличается от синусоидальной и
имеет участки, где напряжение изменяется скачкообразно (в момент
включения тиристора). Скачки напряжения приводят к высокочастотным
гармоникам, которые могут создавать помехи другим устройствам, пи-
тающимся от сети. Это является существенным недостатком подобных
регуляторов с тиристорами. Для его устранения применяют регуляторы,
в которых тиристор каждый раз открывается с началом положительной
полуволны, а изменение среднего значения тока через нагрузку обеспе-
чивается за счет изменения числа проводящих периодов питающего
напряжения, по отношению к фиксированному числу периодов. Напри-
мер, 1 из 10; 3 из 10; 6 из 10; 10 из 10. Такое регулирование не связано с
образованием помех в сети.

Тиристоры нашли широкое применение в силовых схемах пре-
образователей для управления двигателями постоянного тока станков
с ЧПУ [47].

6.3. Симисторы

Симистор - полупроводниковый прибор, являющийся развитием

тиристора. Его особенность заключается в том, что он способен работать с

использованием обеих полуволн синусои-
дального напряжения. Однако и для по-
ложительной и отрицательной полуволн
должен подаваться соответствующий им-
пульс на управляющий электрод [54].

Условное обозначение симистора в
схемах показано на рис. 6.24.

Для симистора неприменимы поня-

тия катода и анода, поэтому используют-
ся следующие названия электродов:
СЭУ - силовой электрод со стороны
управляющего электрода; СЭ - силовой
элекгрод со стороны основания; УЭ -
управляющий электрод.

Буквенное обозначение симистора
в схемах - VS.

Примерная вольт-амперная характе-
ристика симистора показана на рис. 6.25.
Она состоит из двух одинаковых кривых,
расположенных в первом и третьем квад-
рантах. Каждая из них по форме анало-
гична ВЛХ тиристора. Из-за симметрич-
ной ВАХ этот прибор получил название
симметричный тиристор (сокращенно
симистор). Иногда его называют трнаком
(термин англо-американский).

СЭ

УЭ

СЭУ

Рис. 6.24. Условное обозначение
симистора в схемах

Рис. 6.25. ВЛХ симистора

С учетом вида ВАХ можно представить симистор в виде двух под-
ключенных всгречно-параллельно тиристоров (рис. 6.26).

В отличие от тиристора симистор может проводить ток в обоих

направлениях.
Рис. 6.26. Эквивалент ная
схема симистора

Его можно рассматривать как грехэлектродный полупроводниковый
прибор, который может быть переключен из закрытого состояния в от-
крытое при любой полярности напряжения на
основных электродах.

Включение может осуществляться пода-
чей импульса тока на управляющий электрод
(УЭ), а выключение - путем изменения поляр-
ности напряжения на основных электродах.
Однако после смены полуволны питающего
напряжения на управляющий электрод должен
поступать соответствующий импульс для вклю-
чения симистора.

Это следует из эквивалентной схемы на рис. 6.26.

Система обозначений для симисторов средней мощности такая же,
как и для тиристоров.

В качестве примера приведены характеристики симистора серии
КУ208. Разновидности этих приборов отмечают буквами Л - Г, которые
ставят после последней цифры (КУ208А). Они указывают на величину
напряжения, которое выдерживает симистор в закрытом состоянии (как
при прямом, так и обратном направлении:

Л - 100 В, Б - 200 В, В - 300 В, Г - 400 В.

Остальные параметры у этих приборов одинаковые:

• максимальный ток в открытом состоянии - 5 А;

• импульсный ток - 10 А;

• ток утечки в закрытом состоянии - 5 мА;

• величина отпирающего напряжения на УЭ - 5 В при токе 160 мА:

• рассеиваемая корпусом прибора мощность - 10 Вт;

• предельная рабочая частота - 400 Гц.

Для мощных симисторов вначале обозначения указывают буквы ТС,
что означает тиристор симметричный, далее следуют цифры, характери-
зующие параметры симистора.

Например, прибор, имеющий обозначение ТС 106-10-8-2, является
симистором с порядковым номером модификации конструкции 1, разме-
ром полупроводниковой структуры 6 мм, максимально допустимым дей-
ствующим током в открытом состоянии 10 А. класса 8 (максимальное по-
вторяющееся напряжение 800 В), второй группы по критической скорости
нарастания коммутационного напряжения.

Для управления включением симистора можно использовать верти-
кальный и горизонтальный принципы управления (так же, как и для тири-
стора). Пример простого «вертикального» управления показан на
рис. 6.27.
Рис. 6.27. Схема включения
нагрузки с использованием
симистора

Рис. 6.28. Схема управления симистором
по «горизонтальному» принципу

При замыкании контакта SA 1 через резистор /?1 и УЭ проходит ток,
который переводит симистор во включенное состояние. При смене полу-
волны, если контакт £41 остается замкнутым, процесс включения сими-
сгора повторяется.

При размыкании контакта SA I ток через УЭ не проходит, и си-
мистор оказывается выключенным при любой полуволне питающего
напряжения.

Па рис. 6.28 представлена схема регулятора напряжения, выполнен-
ного на симисторе VS2 с использованием «горизонталь-ного» принципа
управления. В качестве порогового элемента в схеме применён двусто-
ронний динистор Г51.

Изменяя сопротивление резистора R2, можно изменять момент по-
ступления импульса на УЭ симистора.

Работа СИФУ описана при ее применении для включения тиристора
на рис. 6.20.

В периоды времени, когда симистор открыт, к нагрузочному рези-
стору прикладывается переменное напряжение в виде частей синусои-
ды (рис. 6.29, в).

Применение симистора позволяет упростить схему за счет исключе-
ния мостового выпрямителя.

Сравните схемы на рис. 6.21 и рис. 6.27, а также на рис. 6.22 и
рис. 6.28.

Для исключения помех, лучше использовать схемы с регулировани-
ем числа проводящих периодов сетевого напряжения из фиксированного
числа.
Рис. 6.29. Вид синусоиды напряжении
при использовании симистора:
а - форма питающего напряжения;
б - импульсы на управляющем электроде;
в - форма напряжения на нат рузке Л>,
Глава 7, ТРАНЗИСТОРЫ

Среди электронных элементов автоматики транзистор по праву за-
нимает особое место. Он обладает способностью управлять значительно
большей электрической мощностью в выходной цепи по сравнению с
электрической мощностью, действующей во входной цепи. Таким обра-
зом, транзистор является усилительным управляемым элементом, т. е.
активным. Все элементы, рассматриваемые ранее, относятся к пассивным
элементам. Здесь следует четко понимать это положение. Например, по-
вышающий трансформатор обеспечивает усиление по напряжению, но его
выходная мощность не может быть больше входной мощности (произве-
дение напряжения и тока его первичной обмотки).

Раньше роль активных элементов в схемах выполняли электронные
лампы. Но с учетом их недостатков - габариты, возможность перегорания
нити накала, большая мощность, затрачиваемая на накал (около 3 Вт),
необходимость высокого напряжения анода (более 100 В), транзисторы
стали быстро вытеснять их из элекзронных устройств.

В этой связи транзистор можно назвать основным элементом совре-
менной электроники. Без него не обойтись ни в простейшем усилителе,
генераторе, а тем более в сложных электронных устройствах. Он является
основой и интегральных схем, появление которых стало возможным бла-
годаря появлению транзистора. Учитывая эту важную роль, которую иг-
рает транзистор в современной автоматике, необходимо хорошо представ-
лять его особенности как элемента схемы и уметь грамотно их использо-
вать. Для большинства применений нет необходимости заглядывать
«внутрь» транзистора, надо хорошо представлять его свойства в практиче-
ских схемах. Это даст возможность не только анализировать конкретные
схемы, но самостоятельно разрабатывать их. Появление транзистора тесно
связано с достижениями в области физики твердого тела.

Большой вклад в изучение полупроводниковых элементов внесли
отечественные ученые под руководством академика А. Ф. Иоффе.

Необходимо отметить, что некоторые особые свойства полупровод-
ников были обнаружены в процессе экспериментальных работ сотрудни-
ком Нижегородской радиолаборатории Олегом Лосевым еще в начале
20-х годов прошлого столетия. Он обнаружил существование «активного
слоя» в детектирующем контакте, который позднее объяснили свойствами
р-л-перехода [2, 55]. Им также было открыто наличие особенных участков
вольт-амперной характеристики некоторых типов кристаллических детек-
торов (участки отрицательного сопротивления, которые позволяют ис-
пользовать такие элементы в генераторах). Другим важным его открытием
является обнаружение эффекта свечения кристаллов при прохождении че-
рез них тока (который используется теперь в светодиодах и полупровод-
никовых лазерах).

Основными полупроводниковыми элементами в настоящее время
являются германий и кремний.

В качестве исторической справки можно указать, что в 1871 г.
Д. И. Менделеев на основе открытой им Периодической системы элемен-
тов предсказал существование и дал подробное описание трех еще неиз-
вестных в то время элементов [56]:

• экаалюминия - открыт в 1875 г. (галлий);

• экабора - открыт в 1879 г. (скандий);

• экасилиция - открыт в 1886 г. немецким химиком Клеменсом
Винклером и назван им германием.

Позднее германий и стал первым основным полупроводниковым ма-
териалом для создания полупроводниковых приборов (ППП). Это связано
с тем, что для ППП исходный материал должен быть очищен от примесей.
Процесс очищения для германия оказался более легким по сравнению с
кремнием. Поэтому для первых ППП германий и стал основным материа-
лом несмотря на то, что содержание в земной коре германия составляет
7-104 %, а кремния - 28 %.

Только в 1954 г. были получены кристаллы германия и кремния с со-
держанием примесей примерно 1 атом на 10"' атомов основного веще-
ства, что стало возможным на основе предложенного Пфанном в 1952 г.
метода зонной очистки германия и кремния [57]. С этого момента основ-
ным материалом для ППП становится кремний, которого как указано ранее,
намного больше в земной коре по сравнению с германием, и, кроме того,
ППП на основе кремния обладают лучшей температурной стабильностью.

Несколько слов об авторах изобретения транзистора. Они, безуслов-
но, заслуживают этого, подарив миру такое изобретение, которое открыло
новые пути развития электроники.

Авторами этого замечательною изобретения стали сотрудники
научно-исследовательского центра Bell Labs американские физики Уиль-
ям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Брат-
тейн (Walter Brattain) - рис. 7.1 [58]. Первая публикация об изобретении
транзистора появилась в журнале «Physical Review» в июле 1948 г. и этот
год стал считаться годом изобретения транзистора. Его авторы были удо-
стоены в 1956 г. Нобелевской премии, а их детище - транзистор начал
свое триумфальное шест вне по миру.

Название «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John
R. Pierce). Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов:
«transconductance» (активная межэлек тройная проводимость) и «variable
resistor» (переменное сопротивление).
Рис. 7.1. Ав юры изобретения транзистора:
Джон Бардин (слева), Уильям Шокли (сидит),
и Уолтер Браггейн (справа)

Познакомимся с этим устройством поближе, чтобы понять его свой-
ства и возможности, рассмотреть особенности и примеры применения
В настоящее время основными типами транзисторов являются биполяр-
ные и полевые. Эти названия будут пояснены далее.

7.1. Биполярные транзисторы

Транзистор - полупроводниковый усилительный электронный при-
бор, имеющий гри вывода. Основой (базой) транзистора служит пластин-
ка полупроводника, в объеме которой созданы две области, противопо-
ложные ей по электропроводимости. При этом образуются два р-п-
персхода (у диода один //-//-переход). Такой транзистор называется бипо-
лярным, поскольку в нем используются носители, как с положительным,
так и с отрицательным зарядом [48].

Если две крайние области обладают электропроводимостью p-типа, а
пластинка электропроводимостью //-типа, такой транзистор имеет струк-
туру р-п-р (рис. 7.2, а). Если, наоборот, электропроводимость крайних об-
ластей /7-типа, а пластинка - //-тина, такой транзистор имеет структуру
п-р-п (рис. 7.2, б). Независимо от структуры транзистора, саму пластинку
полупроводника называют базой (Б), одну крайнюю область - эмиттером
(Э), другую крайнюю область - коллектором (К).

Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между
коллектором и базой - коллекторным.
Рис. 7.2. Два типа 1ранзисторов

У реальных транзисторов площади крайних областей (р-л-персходов)
существенно различаются. Это различие показано на рис. 7.3. Пунктирной

область

линией выделена активная

/?-/?-/?-переходов. Переход п\р
(эмилтер-база) имеет значительно
меньшую площадь, чем переход
1ър (коллектор-база). Слой н\
обычно легирован гораздо силь-
нее, чем слой «2, поэтому он при-
зван быть источником электронов

Рис. 7.3. Реальная структура при работе транзистора (эмиттер),
биполярною транзистора Поэтому транзистор является ас-

симетричным прибором.

Условные изображения на схемах транзисторов разных структур

(рис. 7.2) отличаются только тем. что стрелка, обозначающая эмиттер, у
транзистора структуры р-п-р обращена в сторону базы, а у транзистора
структуры п-р-п от базы. Стрелка эмиттера символизирует направление
тока через транзистор. На схемах транзисторы обозначают буквами VT.

Переходы транзистора представляют собой диоды, и тогда его мож-
но представить в виде диодного эквивалента, показанного на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Представление транзистора
в виде диодного эквивалента

Такое представление транзистора полезно для практики и дает воз-
можность проверить переходы транзистора измерительным прибором или
батарейкой с лампочкой. При этом в проводящем направлении (+ на аноде
диода) сопротивление будет много меньше, чем в запертом состоянии
(+ на катоде диода).
Принцип работы транзистора рассмотрим с практической направ-
ленностью. Кто захочет посмотреть «нутро» транзистора, т. е. что проис-
ходит с электронами и дырками при прохождении через переходы, может
узнать это из обширной литературы [1, 48]. Однако сделаем одно замеча-
ние. Ток в электрической цени представляет собой направленное движе-
ние электронов (от «-» к «+» источника). Поскольку электрон - частица с
отрицательным зарядом - это фактическое направление тока.

Техническим направлением тока считается от «+» к «-» источника
питания.

Рис. 7.5. Схема включения транзистора
с общим эмиттером

Так было принято на заре развития электротехники и им широко
пользуются и в настоящее время, когда нет необходимости какой-либо де-
тализации. Далее в основном используется техническое направление тока.
На рис. 7.5 представлена наиболее распространенная схема включения
транзистора с общим эмиттером. Это название связано с тем, что эмиттер
подключен к общей точке источников питания входной цени ИП1 и вы-
ходной цепи ПП2 и, следовательно, вывод эмиттера является общим для
входной и выходной цепей.

Напряжения на выводах транзистора получили следующие обозна-
чения:

• (7эь - напряжение между эмиттером и базой;

• £Ль - напряжение между коллектором и базой;

• [7кэ - напряжение между коллекэ ором и эмиттером.

Как видно из схемы, напряжение 1/эб - это напряжение между об-
щим проводом и базой, а (Лэ - это напряжение между общим проводом и
коллектором.

Во входной цепи проходит ток базы /б: от «+» вывода ИП1 - через
резистор 7?ь - переход «база-эмиттер» - общий провод - «-» ИП 1.
Ток коллектора проходит по цепи: от «+» вывода ИП2 - через рези-
стор /? к-переходы «коллектор-база» и «база-эмиттер» - общий провод -
«-» ИП2.

Отсюда можно сделать вывод,
41 о ток эмиттера является суммой то-
ка базы /б и тока коллектора /к, т. е.:
/э = /к + /б, как показано на рис. 7.6.

Здесь необходимо пояснить, что
на рис. 7.5 и 7.6 указано техническое
направление тока. Если обратиться
к эквивалентной схеме транзистора
структуры п-р-п (рис. 7.4, б), можно
видеть, что р-и-переход «база - эмит-
тер» - открыт, а переход «база - кол-

Рис. 7.6. Иллюстрация соотношения лектор» закрыт для напряжений ис-

токов в транзисторе

точников питания ИП1 и ИП2. Тогда
почему проходит ток коллектора?

Дело в том, что здесь необходимо учитывать два обстоятельства.
Во-первых, следует иметь в виду фактическое направление тока в виде
движения электронов от «-» к «+» источника. Во-вторых, обратиться к
реальной структуре транзистора на рис. 7.3.

Практически область базы имеет весьма малую толщину, поэтому
почти все носители зарядов - электроны, попадая в базу с положитель-
ным потенциалом из высоколегированного (обогащенного электронами)
эмиттера через переход «эмиттер - база», проходят далее через переход
«база - коллектор», замещая при этом электроны коллектора, которые
перемещаются к выводу «+» источника питания ИП2 с относительно
высоким потенциалом [48]. Этим и обеспечивается движение электро-
нов. т. е. прохождение тока в фактическом направлении от «-» ИП2 к
«+» ИП2.

Обращаем внимание, что для пояснения прохождения тока, прихо-
дится обратиться к фактическому его направлению, однако, в схемах в ос-
новном используется общепринятое техническое направление тока, кото-
рое используется даже в УГО транзистора (в виде направления стрелок).

Величиной тока коллектора можно управлять, изменяя ток перехода
база-эмиттер. Для этого достаточно небольшое изменение напряжения на
этом переходе, поэтому затрачиваемая от источника управляющего сигна-
ла мощность может быть мала.

В цепи коллектора ток 7к проходит через резистор Як с относительно
большим сопротивлением. Мощность, выделяемая на этом резисторе, зна-
чительно превышает мощность, затрачиваемую на входе. Таким образом,
происходит усиление по мощности.
Ток коллектора значительно больше тока базы и пропорционален
ему. Коэффициент пропорциональности тока коллектора /к току базы Л, в
соответствии с ГОСТ 20003-74 называется статическим коэффициентом
передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и
обозначается - Л2тэ. Он соответствует отношению постоянного тока кол-
лектора к постоянному току базы в схеме с общим эмиттером, поэтому и
называется статическим:

А21э = /к//б. (7.1)

Обратите внимание на индекс Э (прописная буква) в обозначении
параметра А21э- В ряде литературных источников и справочников может
встречаться вместо й21э обозначение р.

Кроме этого параметра, есть еще аналогичные параметры Л2| (коэф-
фициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала)
и |Л21)| - (модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте), харак-
теризующие усилительные свойства биполярного транзистора в режиме
малого сигнала в схеме с общим эмиттером. Эти параметры применяются,
когда транзистор работает в усилительном режиме (в предварительных и
промежуточных каскадах усилителей, работающих с высокочастотными
сигналами.

Параметр й2|э указывается в справочниках отдельной строкой и ис-
пользуется для режима большого сигнала (ключевой режим). Поэтому
при расчете схем с транзисторами необходимо использовать параметр, со-
ответствующий режиму работы транзистора в схеме. Усилительный и
ключевой режимы работы транзистора будут рассмотрены далее.

Задание тока базы может быть и от того же источника, что и тока
коллектора. Такая схема показана на рис. 7.7.

В этом случае соотношение между резисторами /?ь и 7?к будет связа-

но коэффициентом /г21э (при полностью открытом транзисторе, когда небольшим напряжением Uki можно пренебречь): (7.2) /к=т“-, (7.3) Лк тогда . IK U„ R. R. или Лб = Л2|э^к, (7.5) ** * +U1 ль Z 1/к 0 -Ui Рис. 7.7. Вариан i за,гания тока базы от источника {7п
т. е. сопротивление резистора /?ь будет в раз больше сопротивления
резистора Эк-

статический коэффициент передачи тока Л21Э может быть весьма
большим 10-50 (для мощных транзисторов) и 30 400 (для маломощных
транзисторов).

Следует заметить, что напряжение эмиттер - база (Лб всегда относи-
тельно небольшое (0,3-0,6 В), поскольку оно является падением напряже-
ния на проводящем диоде (переход эмиттер - база). Поэтому им часто
можно пренебрегать.

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов

Для изучения особенностей биполярных транзисторов следует по-
знакомиться с их вольт-амперными характеристиками и рядом основных
параметров, необходимых при рассмотрении работы транзистора в ключе-
вом режиме, который наиболее широко используется в различных устрой-
ствах промышленной автоматики.

Терминология, параметры и их буквенные обозначения для бипо-
лярных транзисторов определяются ГОСТ 20003-74.

Волып-амперные характеристики транзистора

Входная ВАХ

Рис. 7.8. Входная ВАХ транзистора

Поскольку во входной цепи
транзистора присутствуетр-и-переход
(база-эмиттер), его ВАХ соответству-
ет ВЛХ обычного диода в проводя-
щем состоянии (для первого квадран-
та). Для получения входной ВАХ
(рис. 7.8) можно использовать схему
для изменения тока базы с помощью
потенциометра (рис. 7.9). Контроли-
руя ток базы /ь и напряжение база-
эмиттер Сэб, можно построить вход-
ную ВАХ.

Выходные ВАХ

Выходная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером
представляет собой зависимость тока коллектора /к от напряжения (Лэ
при постоянном токе базы Л.

Для получения выходных ВЛХ можно воспользоваться схемой
включения транзистора с общим эмиттером (рис. 7.5).

Для построения ВЛХ необходимо задавать ток базы транзистора
(рис. 7.9), одновременно контролируя ток коллектора (Л) и напряжение
коллектор-эмиттер (бкэ). Вид выходных ВАХ транзистора показан на
рис. 7.10, где стрелкой отмечено возрастание тока базы 7б-

Рис. 7.9. Схема для изменения
тока базы при снятии входной
и выходных ВАХ

Рис. 7.10. Выходные
ВАХ транзистора

Выходные ВЛХ будут использованы при рассмотрении усилитель-
ного и ключевого режимов работы транзистора.

Работа транзистора в режиме усиления

Задание усилительного режима связано с выбором рабочей точки А
(в средней области ВЛХ), как пересечения нагрузочной характеристики с
ВАХ, соответствующей, например, базовому току /ьз- (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Выбор рабочей точки (А)
для усилительного режима транзистора

На рис. 7.11 показаны выходные вольт-амперные характеристики
транзистора в схеме с общим эмиттером совместно с нагрузочной харак-
теристикой (прямая линия), соответствующей резистору Як, включенному
в коллекторную цепь транзистора (рис. 7.12). Рабочая точка А определяет
режим транзистора по постоянному току и ей соответствует ток коллекто-
ра /к и напряжение на коллекторе (Укэ- Падение напряжения на резисторе
равно Urk. Сумма напряжений (7кэ и L/rk равняется напряжению Он источ-
ника питания. При этом мощность, рассеиваемая на коллекторе транзи-
стора, для рабочей точки А равна:

Рк =/к • СЪ- (7.2)

В режиме усиления на вход транзистора подается через конденса-
тор С1 (чтобы не изменять режим по постоянному току), напряжение пе-
ременного тока С’вх, которое требуется усилить (рис. 7.12). Выходной сиг-
нал выделяется на резисторе /?,, (является нагрузкой данного каскада),
подключенному к коллектору транзистора через конденсатор С2 (по той
же причине).

Рис. 7.12. Схема усилителя переменного напряжения Uax

Процесс усиления входного сигнала переменного тока с рабочей точ-
кой в средней области ВАХ называется режимом класса А и поясняется на
рис. 7.13. При положительной полуволне входного сигнала, текущее значе-
ние рабочей точки смещается вверх ио нагрузочной характеристике, что
соответствует увеличению гока коллектора (против значения в точке А) и
уменьшению напряжения на коллекторе.

При этом получается отрицательная полуволна выходного усиленно-
го сигнала. Соответственно отрицательная полуволна входного сигнала
приводит к появлению положительной полуволны выходного сигнала. 77/-
ким образом, транзисторный каскад с общим эмиттером переворачива-
ет фазу сигнала на 180°.

Точку Л выбирают в центре выходных характеристик, чтобы не было
ограничений. Если сместить рабочую точку А вверх или вниз по нагру-
зочной характеристике, то возникнут ограничения выходного сигнала со-
ответственно для отрицательной или положительной полуволн (рис. 7.14).

В выходных каскадах усилителей (усилителях мощности) часто ис-
пользуются специальные режимы (режимы класса В и АВ), когда одна по-
луволна усиливается одним транзистором, а другая - другим [42]. В этом
случае рабочая точка у одного транзистора выбирается вверху, а у другого
внизу нагрузочной характеристики. При этом повышается КПД такого
выходного каскада.

(Входной
сигнал)

Рис. 7.13. Процесс усиления и инвертирования входного
chi нала транзисторным каскадом с общим эмиттером

Рис. 7.14. Ограничения выходного сигнала:
а - при смещении рабочей точки вверх;
б - при смещении рабочей точки вниз

Режим класса АВ с небольшим смещением в цепях баз транзисторов
обеспечивает значительное снижение нелинейных искажений выходного
каскада (по сравнению с классом В).
В настоящее время в основном применяют бестрансформаторные
двухтактные усилители мощности, построенные на паре транзисторов
разного типа электропроводимости.

Ключевой режим работы транзистора

С'п

Рис. 7.15. Идеальный ключ

В цифровых устройствах и схемах автоматики транзистор часто ра-
ботает в режиме ключа, который характеризуется в идеальном случае бес-
конечно большим сопротивлением в разомкну-
том состоянии и нулевым сопротивлением в
замкнутом состоянии (рис. 7.15).

Качество любого ключа определяется ми-
нимальным падением напряжения на нем в
замкнутом состоянии, минимальным током в
разомкнутом состоянии и временем переклю-
чения из одного состояния в друюс.

Транзисторные ключи обладают хоро-
шими характеристиками, приближающимися к

идеальным. Закрытый транзистор обладает очень большим сопротивлени-
ем (сотни килоом), а открытый очень малым сопротивлением (несколько
Ом). На рис. 7.16 показана схема транзисторного ключа (а) и выходные
вольт-амперные характеристики, поясняющие его работу (б).

Рис. 7.16. Схема трапniciopnoi о ключа (а)
и его ВАХ (о)

Ключевой режим работы транзистора характеризуется тремя воз-
можными состояниями: отсечки, активное и насыщения.

Пусть в исходном состоянии транзистор VT\ заперт. Этому случаю
соответствует рабочая точка А на рис. 7.16, б - состояние отсечки. Для
этой точки мощность рассеяния Рк<а) на транзисторе минимальная:

Рк(А) ~ ^К(Л) • Скэ (Я),

(7.3)
где Рк(А) - мощность рассеяния на коллекторе транзистора для точки А;

/к(г1) - ток коллектора для точки А (ток отсечки /котс);

(7кэы) - напряжение коллектор-эмиттер для точки А (напряжение от-
сечки (/кэотс).

При этом на резисторе R& будет небольшое падение напряжения:

Urk = Mi - Uk3(A).

При поступлении входного сигнала С/вх ток базы резко увеличивает-
ся, и рабочая точка скачком переходит из точки А в точку 8 через актив-
ное состояние. Точка Ь соответствует состоянию насыщения, что характе-
ризуется небольшим напряжением коллектор-эмиттер Мсэ(в) (напряжение
насыщения Мсэмас.) и значительным током /к(в) (ток насыщения /кнас).
Условием насыщения является превышение током базы значения /к/Л21э
(которое соответствует границе насыщения). Чтобы обеспечить этот ре-
жим, ток базы берется с запасом по формуле:

_ ^нас ’ Л,
^21Э

(7.4)

где (Анас = 1,1 - 1,2) - коэффициент, характеризующий степень насыщения.

При этом мощность рассеяния Рк<в) оказывается также небольшой,
поскольку при большом токе /к(вь напряжение Мкэ(в) - очень маленькое
(0,2 В для маломощных германиевых транзисторов). Для примера:

Рыв) — Mb) * С'кэ(В) — 100 мА • 0,2 В — 20 мВт,

/к (В) принят равным 100 мА.

Режим насыщения позволяет по-
лучить наибольший перепад и ста-
бильность выходного напряжения при
наименьшей мощности рассеяния на
коллекторе транзистора. Однако серь-
езным недостатком этого режима явля-
ется существенное запаздывание зад-
него фронта импульса при запирании
ключа. Это связано с накоплением и
последующим рассасыванием носите-
лей тока в базе.

С целью уменьшения времени пе-
реключения и времени рассасывания
применяют форсирующую емкость С1,

Рис. 7.17. Схема транзисторною
ключа с форсирующей емкостью
и напряжением смешения

которую включают параллельно

резистору А1 в цепи базы и, кроме того, можно использовать напряжение
смещения [59]. Такая схема показана на рис. 7.17.
В настоящее время применяют и другие способы уменьшения степе-
ни насыщения транзисторов, в частности, включение диодов Шоттки
между базой и коллектором транзистора. Такой способ особенно широко
применяется в интегральной схемотехнике.

Для ключевого режима работы транзистора можно использовать
следующие параметры по ГОСТ 20003-74 (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Параметры транзистора ио ГОСТ 20003-74

Параметр Буквенное обозначение Определение
Постоянный ток коллектора в режиме насыщения /кнас
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (7к')нас Напряжение между выводами коллектора и эмиттера транзистора в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора
Коэффициент насыщения биполярного транзистора Анас Отношение тока базы в режиме насыщения к току базы на границе насыщения
Статический коэффициент передачи тока Л’/Э Отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в схеме с общим эмиттером
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рк Постоянное значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора

При выборе транзисторов всегда необходимо учитывать значения
предельных параметров (т. е. максимально допустимых), к которым мож-

но отнести следующие:

• Максимально допустимый ток коллектора........../к max.

• Максимально допустимое постоянное напряжение
эмиттер-база.....................................(7Эь max.

* Максимально допустимое постоянное напряжение
коллектор-база...................................(7кб max-

• Максимально допустимое постоянное напряжение
коллектор-эмиттер ............................... (?кэ max-

• Максимально допустимая постоянная мощность
коллектора....................................... Рктах-

Поскольку в ключевом режиме транзистор часто должен переклю-
чать нагрузку с большими токами срабатывания (электромагниты, элек-
трические муфгы, нагреватели и т. д.), следует проверять постоянную рас-
свиваемую мощность коллектора Рк. как произведение тока коллектора
/кнас на напряжение коллектор-эмиттер t/кэнас в режиме насыщения:

Рк 7кнас' Г КЭнас-

(7.5)

Мощность Рк, рассчитанная по формуле (7.5), должна быть меньше
(примерно 0,6) максимально допустимой постоянной мощности коллекто-
ра Рктах. В тех случаях, когда это условие не выполняется, для снижения
температуры транзистора используют различные способы охлаждения,
наиболее предпочтительным из которых является применение радиаторов
(рис. 7.18), а в специальных случаях используют встроенные вентиляторы.

Рис. 7.18. Транзистор с радиатором

МВ1 Р max

Рис. 7.19. Эффективность
применения теплоотводов

На рис. 7.19 показано, как применение теплоотводов повышает мак-
симально допустимую мощность транзистора [60]. Рекомендации по обес-
печению теплового режима транзисторов приведены в [62]. Расчет радиа-
торов производится по методикам, изложенным в литературе по констру-
ированию радиоаппаратуры.

При работе транзистора в режиме ключа с индуктивной нагрузкой его
переключение происходит с относительно низкой частотой. Однако в схемах
формирования и передачи импульсных сигналов, которые широко исполь-
зуются в настоящее время в импульсных источниках питания, инверторах,
преобразователях электроприводов и т. д., необходимо учитывать парамеэр
|А2ь| - (модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте). Это связа-
но с тем, чго фронты и спады импульсов определяются быстродействием
транзистора, т. е. его способностью работать на высоких частотах.

Для примера приведены основные параметры для транзистора
КТ315А (п-р-п):

Статический коэффициент передачи тока

в схеме с общим эмиттером при Ск> = 10 В, /к = 1 мА.20-90

Модуль коэффициента передачи тока

при UK3 = 10 В, /к = 1 мА,/ = 100 МГц не менее....2,5
Напряжение наеыщения коллектор - эмиттер
при /к = 20 мА...................................0,4 В

Предельные эксплуатационные данные'.
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер.........25 В

Постоянный гок коллектора........................100 мА

Постоянная рассеиваемая мощность.................150 мВт

В качестве примера рассмотрим использование транзисторного клю-
ча для управления электромагнитным исполнительным элементом (ИЭ).

Рис. 7.20. Управление электромагнитом
с помощью лранзисюршн о ключа:

/ - элементы управления; 2 - силовой каскад

Схема управления такой нагрузкой с помощью транзисторного клю-
ча показана на рис. 7.20. Поскольку катушка электромагнитного ИЭ пред-
ставляет собой индуктивность, для защиты транзистора при отключении
ИЭ от ЭДС самоиндукции используется диод VD. Об этом более подробно
будет изложено далее. В качестве элемента управления показан переклю-
чатель £41, замкнутое положение которого соответствует открытому со-
стоянию транзистора VT и прохождению тока через обмотку электромаг-
нита УЛ. Функцию переключателя £41 может выполнять транзистор или
микросхема, что зависит от требуемой величины базового тока для вклю-
чения транзистора VT. На рис. 7.21 показаны варианты выполнения эле-
мента управления: с использованием транзистора 171 (а); с использовани-
ем интегральной микросхемы (ИМС) - (6).

Рассмотрим порядок расчета каскада с пранзисторным ключом. Для
примера примем, что электромагнит YA (рис. 7.20) рассчитан на постоян-
ное напряжение 24 В и ток срабатывания 1 А. Определим требуемый ток
базы для транзистора, приняв /?21э = 20 (формула (7.4)):

1 э-1 it.i

Л =------*- = -— = 0,06А = 60мА

Л2|Э 20
Рис. 7.21. Вариан гы выполнении элемента управления:
а - с использованием транзистора ГЛ; б - с использованием ИМС

Тогда сопротивление резистора /?1 равно:

U °4

Я1= —-= - = 0,4 кОм.

L 60
ь

(7.7)

Выбираем но ряду Е12 резистор с сопротивлением 390 Ом и допу-
стимым отклонением 10%. Минимальное значение этого сопротивления
при 10 % отклонении в «минус» составит

/?1Н = 390-0,1-390 = 351 Ом. (7.8)

Максимальный ток через резистор /?1 будет равен:

U 24 (7.9)

= —р-г = ~~ -0,068 А или 68 мА.

2?11-) 351

Тогда мощность рассеяния резистора /?1 составит:

Лщтах) = Ui 7я1(-) = 24-68 = 1632 мВт или 1,63 Bi. (7.10)

С учетом рекомендаций в гл. 2 «Резисторы», коэффициент нагруз-
ки для резистора /?1 должен быть не более 0.6. Принимаем = 0,6. То-
гда допустимая мощность рассеяния резистора должна быть:

р -

г Я1(«оп)

1 Я1(тах

1.63

= 2.72 Вт

(7.11)

Принимаем следующие параметры резистора R\:

• номинальное сопротивление.......390 Ом;

• допустимое отклонение...........±10 %;

• мощность рассеяния..............3 Вт.
Описанный порядок расчета параметров резистора 7?1 .можно ис-
пользовать для всех трех вариантов выполнения элементов управления к
рис. 7.20 и рис. 7.21. На этих рисунках между базой и общим проводом
подключен резистор R2. Он особенно необходим в схемах с контактным
элементом управления (переключатель, кнопка, контакт реле), чтобы
«привязать» потенциал базы к потенциалу эмиттера при разомкнутом кон-
такте. Сопротивление резистора R2 можно принять равным 1 кОм. На от-
крывание транзисторного ключа резистор R2 не оказывает влияния, по-
скольку подключен параллельно диоду (база-эмиттер) в проводящем со-
стоянии, сопротивление которого будет несколько Ом.

г
।

VT\

VT2

В ряде случаев снижение величины базово-
го тока можно обеспечить применением для си-
лового каскада составного транзистора по схеме
Дарлингтона (рис. 7.22).

В этом случае общий коэффициент переда-
чи тока //Зю (общ) равен произведению коэффици-
ентов передачи первого транзистора Й21э(1) и вто-

Рис. 7.22. Включение рого транзистора А21Э (2).

транзисторов но схеме

Дарлиш юна ^21Э(общ) ^21Э(>) ^21Э(2). (7.12)

Пусть /г21э(1) = 50. а Л21Э(2) = 20, тогда Л2|э(общ) = 1000.

По условиям рассмотренного примера управления электромагнитом,
ток базы для составного транзистора будет равен:

Такой небольшой ток базы могут обеспечить любые микросхемы,
выходной ток которых часто ограничен значением 10 мА.

Вернемся к рис. 7.20. Ранее отмечено, что для защиты фанзистора
при нагрузках с индуктивностью необходимо параллельно подключать
диод. Рассмотрим вопросы зашиты транзисторного ключа при коммута-
ции электромагнитных ИЭ подробнее.

Любую катушку можно представить в виде эквивалентной схемы,
содержащей активное сопротивление обмотки R^ и индуктивность L.
(см. гл. 4 «Индуктивности»). Схема фанзисторного ключа с такой нагруз-
кой показана на рис. 7.23.

При открывании ключа VT коллекторный ток (ток через ИЭ) будет
нарастать по экспоненте с постоянной времени:
что связано с наличием индуктивности. Этот процесс не опасен для тран-
зистора. Проблема будет при запирании ключа, когда прерывается ток че-
рез индуктивность.

Рис. 7.23. Транше горный ключ
с эквивалентной схемой
исполнительного элемента

Рис. 7.24. Защита
транзисторного ключа
с помощью диола

При этом на индуктивности образуется ЭДС самоиндукции, величи-
, di
на которой пропорциональна скорости изменения тока: eL = - L—.

Полярность ЭДС самоиндукции при запирании транзистора показана
на рис. 7.23. При этом напряжение, приложенное между коллектором и
эмиттером транзистора Ukэ, будет равно сумме напряжения источника пи-
тания Он и ЭДС самоиндукции, т. е. (Лэ = Сп + еь и может значительно
превысить предельно допустимое напряжение t/кэтах. для транзистора, что
приведет к его пробою.

Дтя защиты транзистора от перенапряжения часто используют диод,
включенный параллельно обмотке 7/Э, как показано на рис. 7.24. При по-
явлении ЭДС самоиндукции указанной полярное™ открывается диод VD
и через него проходит ток. обусловленный электромагнитной энергией,
накопленной в индуктивности.

Максимальная величина тока через диод по закону коммутации бу-
дет равна установившемуся значению тока через индуктивность до мо-
мента запирания транзистора. Эго значение тока равно:

,- = ~Г~ (7-15)

Лобм

и он будет спадать по экспоненте с постоянной времени Т

(рис. 7.25) (сопротивлением открытого диода VD можно пренебречь):
Л’ — Zia-i'f' '

(7.16)

С учетом наличия гистерезиса у электромагнитных ИЭ, их отключе-
ние происходит при уменьшении тока до значения отпускания /отп.

Тогда время = t\ - to является временем задержки отключения ИЭ,
которое может превышать допустимое значение.

Уменьшить задержку можно включением последовательно с дио-
дом VD дополнительного резистора (рис. 7.26). Выбор значения со-
противления Ядоп можно пояснить следующим расчетом.

Рис. 7.25. Кривая изменения
тока в обмотке И Э

Рис. 7.26. Включение дополнительною
резне юра /?,<„! к цепь диода

При закрывании транзистора VT на резисторе 7?дап. будет напряжение
Т'ядоп при токе /пач. (по закону коммутации ток индуктивности скачком из-
мениться не может), т. е.

С/(доп. -_ Ашч.’Лдоп- (7.17)

При этом фактическое значение напряжения Скэ составит:

иКэ = Ui+t'kwn. (7.18)

(падением напряжения на открытом диоде VD пренебрегаем).

Принимаем (7кэ меньше (Укэтах с определенным запасом: (0.6-0,7).

О’кэ = 0,7 (7КЭ тах>

тогда

Ur доп. - 0,7 Uk) max -Un. (7.19)

Сопротивление /?.10п. (с учетом выражений (7.15), (7.17) и (7.19)) равно:

» _ ^лдоп _ 0'7 UK3 max ~Un_ I кэ тах

— “7Г- (720)
Из выражения (7.20) видно, что для увеличения /?доп. и уменьшения,
тем самым времени задержки, целесообразно выбирать допустимое на-
пряжение (Укэтах- значительно большим по сравнению с напряжением пи-
тания £/ц.

С учетом Ядоп постоянная времени отключения ИЭ составит:

т _ L

(Лдоп) D , D (7.21)

“обм ‘'ДОП

ИЛИ

Т =_______________—____________=___________-__________=

Лдоп и и

+ (0,7 -1) R^ (1 + 0,7 -1)

п (7.22)

= 7 -Гп _ 1„ т

0>7/?обм-(/КЭп1ах 0»7(7КЭгпах
или

(7.23)

КЭ max

Допустим, что С/кэтах. = 4 (7П, тогда

7>лоп) = 1,43-0,25 Т= 0.36 Г, (7.24)

т. е. постоянная времени на отключение уменьшится примерно в три раза.

Эмиттерный повторитель

Широко применяется схема с транзистором, где резистор включен в
цепь эмиттера (рис. 7,27). Такая схема называется эмиттерный повтори-
тель, поскольку для нее характерно, что выходное напряжение, снимаемое
с эмиттера, практически равно (за минусом небольшого напряжения на
открытом переходе база - эмиттер) входному напряжению. Такая схема
включения транзистора называется схемой с общим коллектором, по-
скольку для переменного тока, из-за наличия конденсатора фильтра ис-
точника питания +0п, коллектор транзистора VT соединен с общим про-
водом.

Эту схему можно рассмотреть с точки зрения теории автоматическо-
го регулирования, если представить в виде узла сравнения, на который
поданы два напряжения t/BX и 17вых (рис. 7.28), тогда разностным напряже-
нием (как величина ошибки) будет напряжение (Лэ- Действительно из
рис. 7.27 видно, что напряжение U^= (Лых, т. е. схема представляет
собой устройство автоматического регулирования выходного напряжения
со 100%-ной обратной связью, поскольку всё выходное напряжение по-
ступает на вход узла сравнения.

Рис. 7.27. Включение транзистора
в схеме эмиттерного повторителя

Рис. 7.28. Эмиттерный повторитель
как узел сравнения

Этим и определяются интересные и полезные свойства такой схемы:

• высокая стабильность работы (малая температурная зависимость);

• высокая линейность при передаче сигнала;

* высокое входное сопротивление;

• низкое выходное сопротивление.

Особенно важны два последних свойства, которые и обеспечивают ши-
рокое применение эмиттерного повторителя как согласующего устройства.
Посмотрим, почему в такой схеме входное сопротивление будет большим.

Я схеме с общим эмиттером - Яви

р ______ 1> >

*4x1 “ ,

* Б

при этом ток коллектора /к = 7/21 э'/ь-

(7.25)

В схеме эмиттерного повторителя - ЯВХ2

Поскольку С/вых = (4 + /ь)Я, тогда

п 77. . + (7К + ) В

ТУ __ bj \ К Ь'

^2-------------------• (7

*Ь

С учетом (7.29) можно записать:

+ +1). Я = Я„, + (Л21Э + 1) Я,

* Б *Б

т.е. Я.х2=Й»х1+(А2,э + 1)-Л. (7.28)
С учетом того, что часто /?21Э > 20, а 7? > 7?ВХ| видим, что входное со-
противление эмиттерного повторителя /?ВХ2 будет намного больше входно-
го сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером /<Х|.

Для расчета выходного сопротивления эмиттерного повторителя
представим, чго на входе приложено напряжение (7ВХ от источника вход-
ного сигнала с ЭДС Евк и с внутренним сопротивлением 7?t.

Пусть выходное напряжение изменилось на величину Д(7ВЬ1Х, тогда
соответствующее изменение напряжения на базе составит Д£7ВХ = Д£/ВЬ1Х.
Изменение выходного напряжения на величину А(7ВЫХ связано с соответ-
ствующим изменением тока эмиттера, а, следовательно, и тока базы:

Д7э = Д/к + А/ь

или

А/э — /?21э Д/ь + А/б — Л/ь (/?21э + 1 )•

(7.29)

Изменение тока базы Д/в приводит к изменению напряжения на базе,
что связано с падением напряжения на внутреннем сопротивлении /?, ис-
точника входного сигнала, поэтому:

ДС’ВХ = AUb.x = /?iAZB. (7.30)

Выходное сопротивление эмиттерною повторителя равно:

АС7

D — ВЫХ

ИЛИ

+ ) (^213

(7.31)

Отсюда видим, что выходное сопротивление эмиттерного повтори-
теля будет во много раз (~ в Лзгэ раз) меньше выходного сопротивления
источника входного сигнала.

Благодаря таким полезным свойствам, эмиттерные повторители
находят широкое применение для согласования источника сигнала с вы-
соким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Например,
для уменьшения влияния распределенной емкости кабеля, когда нагрузка
и источник сигнала разнесены на большие расстояния (например, микро-
фон и усилитель), а также в схемах согласования нагрузки и источника
опорного стабильного напряжения (рис. 7.29), т. е. во всех случаях, когда
необходимо значительно уменьшить влияние последующих каскадов на
источники сигналов.
Рис. 7.29. Эмитгерный повторитель
в схеме стабилизатора напряжения

7.2. Однопереходные транзисторы

Интересной разновидностью транзистора является структура с од-
ним ^-/7-переходом (один эмиттер и две базы). С момента создания этого
прибора в 1952 г. он назывался двухбазовый диод. Название прибора свя-
зано с его структурой (рис. 7.30, а) [61]. Позднее такая структура получи-
ла название однопереходный транзистор (01 IT).

ОПТ представляет собой трех электродный прибор с одним /7-77-
переходом (рис. 7.30, а).

Рис. 7.30. Структура (а) и условное
графическое обозначение ОПТ (о)

Основой ОПТ служит пластина кремния с проводимостью «/?» (ба-
за), на которой сформирован участок с проводимостью «/>», вывод от ко-
торого называется эмиттером (Э). На концах пластины имеются омиче-
ские контакты с выводами Ы и Б2. Омическое сопротивление между
этими выводами - межбазовое сопротивление 7?ыб2 - составляет несколь-
ко кОм.

Принцип работы ОПТ поясняется упрощенной эквивалентной схемой
(рис. 7.31), где 7?ы и /?б2 - сопротивления между соответствующими выво-
дами базы и эмиттером, a VD соответствует эмиттерному /2-77-псреходу.

В исходном состоянии, когда напряжение на эмиттере (А равно ну-
лю, к диоду VD приложено в обратной полярности напряжение Urm на со-
противлении Яы. При этом диод оказывается запертым и через него про-
ходит ток утечки (участок 1 ВАХ на рис. 7.32).

Рис. 7.31. Упрошенная эквивалентная схема ОПТ

Такое состояние диода будет до тех пор. пока напряжение L/> остает-
ся меньшим напряжения С/ябь Его значение легко определяется по эквива-
лентной схеме, поскольку (7яы является выходным напряжением делителя
из сопротивлений 7?ы и R^i'.

_____и

^+^2

(7.32)

где

/?Г|

---------------= Т],
^h\ + ^52

I] - называется коэффициентом передачи напряжения, тогда

( ям — Л' Е’п.

(7.33)

(7.34)

Рис. 7.32. Волы-амперная характеристика перехода Э-Б1
однопереходного гран шетора
Если увеличивать напряжение С/э, тогда при его значении:
(Л=(Авкл. = тг^п+ ил, (7.35)

где ил - падение напряжения на открытом диоде VD.

Диод VD начинает пропускать ток 7)ВКЛ. в прямом направлении через
сопротивление /?ы, что вызывает уменьшение его величины. Это приводит
к увеличению тока, что в свою очередь вызывает дальнейшее уменьшение
сопротивления 7?ьь

Этот процесс протекает лавинообразно и его следствием является
область отрицательного сопротивления (участок 2) на вольт-амперной ха-
рактеристике (рис. 7.32).

На этом участке происходит нарастание тока /э при уменьшении
напряжения Оэ до минимального напряжения t/amin (точка В).

При дальнейшем увеличении тока, его влияние на изменение сопро-
тивления 7?ь1 уменьшается и при значениях, больших /эВЫкЛ., оно прекра-
щается. Минимальное значение сопротивления 7?ь1 составляет примерно
20 Ом при токе 50 мЛ [60].

Далее следует участок 3 ВАХ - область насыщения, где возрастание
напряжения эмиттера сопровождается увеличением тока /э.

В качестве примера приведены основные параметры отечественного
однопереходного транзистора КТ117Л (с и-базой) [62]:

Коэффициент передачи напряжения при (/ыь2 = 10 В...0,5-0,7

Ток включения эмиттера при [7ыб2 = 10 В не более...20 мкА

Ток выключения эмиттера при £/ыб2 = 20 В не менее..1 мА

Остаточное напряжение эмиттер - база
при Л = 10 мА не более.............................4 В

Межбазовое сопротивление...........................4- 7.5 кОм

Наибольшая частота генерации.......................200 кГц

Обратный ток эмиттера при £7ыб2 = 30 В не более....1 мкА

Предельные эксплуатационные данные'.

Постоянное межбазовое напряжение....................30 В

Постоянный ток эмиттера.............................50 мА

Импульсный ток эмиттера при т„ < 10 мкс, Q > 200....1 А

Постоянная рассеиваемая мощность эмиттера...........300 мВт

Применение ОПТ

ОПТ отличается стабильным напряжением включения {/В1С1., малым
током включения /вкл_, стабильной характеристикой участка с отрицатель-
ным сопротивлением и способностью выдерживать большие токи в им-
пульсе. Эти особенности позволяют с успехом применять ОПТ в схемах
генераторов, пороговых устройств, делителей частоты, реле времени и т. д.
Часто ОПТ применяют в схемах включения тиристоров. Для приме-
ра на рис. 7.33 показан генератор импульсов, построенный на одном ОПТ.
Работа этой схемы аналогична схеме на динисторе (рие. 6.4).

Рис. 7.33. Схема генератора импульсов на ОПТ (а)
и форма напряжении Uc и Uw* (б)

Заряд конденсатора С1 происходит через резистор /?1. Когда напря-
жение на конденсаторе Uc достигает значения LSmax переход Э - Б откры-
вается и конденсатор быстро разряжается на резистор R3, что вызывает
появление импульса на выходе (£/Вых). При снижении напряжения Uc до
£/эпнп переход закрывается, и конденсатор снова начинает заряжаться. Эти
процессы заряда - разряда периодически повторяются, соответственно
повторяются импульсы на выходе устройства.

Период импульсов определяется приближенной формулой [60]:

Т= 1//~0,8С1Я1. (7.36)

Возможность получения больших токов в импульсе позволяет ис-
пользовать такую схему для включения тиристора. В этом случае работу
схемы генератора необходимо синхронизировать с частотой источника
переменного тока, который используется для питания тиристора и на-
грузки.

7.3. Полевые транзисторы

Кроме биполярных транзисторов широко применяются нолевые
транзисторы, принцип работы которых основан на изменении сопротив-
ления проводящего канала под действием электрического поля, создавае-
мого управляющим напряжением, которое подается на один из электродов
этого прибора (затвор).

В настоящее время существует несколько разновидностей полевых
транзисторов, отличающихся особенностями организации и управления
проводящим каналом. В этой связи полевые транзисторы могут называть-
ся канальными. Теория униполярного транзистора Шокли была опублико-
вана в 1952 г. [63].

Первый МОП-транзистор (металл - оксид - полупроводник), состав-
ляющий основу современной микропроцессорной техники, был изготовлен
в 1960 г. Разновидности нолевых транзисторов целесообразно отразить в
виде классификации, а затем последовательно рассмотреть их принципы
работы и особенности.

Классификация полевых транзисторов

Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а «-типа - элек-
тронной.

7.3.1. Нолевые транзисторы
с управляющим р-п-переходом

Работа полевого транзистора (ПТ) с ^-«-переходом основана на воз-
можности управления шириной запертого перехода внешним напряжени-
ем (с полярностью, которая обеспечивает запертое состояние /;-«-перехода
и соответствует третьему квадранту ВАХ обычного диода рис. 5.5 из гл. 5).

Изменяя величину внешнего образного напряжения, можно соответ-
ственно изменять ширину запер того перехода, т. е. слоя, обедненного но-
сителями заряда, который практически не проводит ток. Этот эффект из-
менения ширины обедненного носителями слоя под действием напряже-
ния обратной полярности и лежит в основе работы полевого транзистора
с /^-«-переходом.

Работу такого полевого транзистора удобно рассмотреть с помощью
схематической модели, показанной на рис. 7.34, а [2, 64, 65].

Основой прибора является пластинка из полупроводникового мате-
риала, например, с электронной проводимостью («).
Рис. 7.34. Схематическая модель нолевого транзисюра
ср-л-переходом (канал тина и)

В средней части пластины по рис. 7.34, а созданы области с дыроч-
ной проводимостью (/>). Эти области соединены между собой омическими
контактами, образуя единый электрод, который называется Затвором.

11а границах /j-и-переходов образуются запирающие слои.

На концах полупроводниковой пластинки имеются омические кон-
такты, образующие два других электрода, к которым подключают источ-
ник питания Un. Основная часть полупроводника, расположенная между
этими электродами, называется каналом. Нижний электрод называется
Исток, а верхний - Сток.

Зарубежные обозначения выводов полевых транзисторов [66]:

• G - Затвор (от англ. «Gate» - «затвор», «ворога»);

• S - Ист ок (от англ. «Source» - «источник», «начало»);

• D - Сток (от англ. «Drain» - «отток», «утечка»).

Эти обозначения пригодятся при работе со схемами импортной
электроники.

На рис. 7.34 показана структура НТ с каналом л-типа, что определяет
полярности подключаемых источников питания. Для канала /?-типа по-
лярности источников питания изменяются на противоположные.

Обратите внимание, что выводы затвора (слева и справа на рис. 7.34)
соединены между собой. Запертые переходы образуются между каналом п
и областями р. Они показаны в виде участков, отмеченных сеткой.

Чтобы понять работу полевого транзистора по описанной модели,
необходимо вспомнить свойства р-п-перехода, смещенного в обратном
направлении (см. гл. 5). Из рис. 7.34 видно, что поскольку к Затвору при-
ложен «-» источника U-м, а его «+» приложен к Истоку, то /7-л-переход
(канал п - затвор р) оказывается смешенным в обратном направлении, т. е.
переход заперт и через него практически ток не проходит (см. вольт-
амперную характеристику диода для обратного напряжения). Это опре-
деляет высокое входное сопротивление полевого транзистора.

Так:

• для канала из германия /?вх ~ 106 Ом,

• для канала из кремния Rex « 10 ' Ом.

Поскольку затвор опоясывает всю пластину с проводимостью п,
то проводящая часть канала зависит от ширины запертого р-п-перехода,
которая в свою очередь определяется приложенным к затвору отрица-
тельным напряжением Um.

Чем уже канал, по которому могут проходить электроны от Истока к
Стоку, тем больше его сопротивление, так как обедненный слой, лишен-
ный свободных носителей, ведет себя как изолятор (рис. 7.34, б и в). По-
этому изменяя напряжение Um, можно управлять сопротивлением канала,
а, следовательно, и током во внешней цепи, в которой включен источник
питания Un.

Эффект изменения проводящего сечения канала под действием
внешнего напряжения, приложенного к Затвору, и лежит в основе рабо-
ты полевого транзистора с р-п-переходом.

Управляющей (входной) цепью является цепь затвор-исток (з-и). Управ-
ляемой цепью является цепь сток-исток (с-и). Ток через канал образуется за
счет одного типа основных носителей {п или р), поэтому такой ПТ назы-
вают униполярным (в отличие от обычного транзистора, где участвуют
оба типа носителей, поэтому он называется биполярным). Поскольку важ-
нейшей рабочей областью полевых транзисторов, определяющей их пара-
метры, является канал, то весьма распространенным названием этих тран-
зисторов является «канальный».

Условно графические обозначения (УГО) полевых транзисторов с
управляющим ^/-//-переходом показаны на рис. 7.35. Они могут быть двух
типов в зависимости от проводимос ти канала: с ^-каналом и /7-каналом.

Рис. 7.35. Условно-графические обозначения полевых
1ранзис 1оров с управляющим р-л-переходом:
а - канал p-типа; б - канал /т-типа
Обратите внимание на связь направления стрелок УГО с полярно-
стью напряжения, которое должно подаваться на затвор относительно ис-
тока. Если мысленно представить стрелки () в виде изображения дио-
да ( К] ), тогда становится понятным, что для обеспечения запертого со-
стояния диода в случае полевого транзистора с каналом /?-типа, на затвор
необходимо подать «+» от источника входного напряжения, а для полево-
го транзистора с каналом л-типа на затвор должно подаваться напряжение
с полярностью «-».

Чтобы лучше понять направление стрелок в УГО ПТ с управляющим
7?-и-переходом, сравним УГО ПТ с каналом p-типа и УГО биполярного
транзистора /?-и-р-типа (рис. 7.36).

+ -

(Ах

Рис. 7.36. Сравнение полярностей входных напряжений:

а - для полевого транзистора (с каналом p-типа), входной ток пренебрежимо
мал (диод заперт); б - для биполярного транзистора (структуры р-п-р),
есть входной ток (диод открыт)

Здесь - - эквивалентный диод, соответствующий р-л-переходу

входной цепи. Стрелка на УГО указывает переход от области «р» к обла-
сти «л». Из рис. 7.36, б видно, что для биполярного транзистора ток кол-
лектора /к связан с определенным током базы /б, направление которого
совпадает с направлением стрелки УГО. При этом р-л-переход Э-Б нахо-
дится в проводящем состоянии, которому соответствует указанная поляр-
ность напряжения (рис. 7.36, б).

С учетом принципа работы полевого транзистора р-л-переход (3-И)
должен соответствовать эквивалентному диоду в запертом состоянии, что
обеспечивается указанной полярностью напряжения UBK (рис. 7.36, а).

Аналогично можно провести сравнение полярностей входных
напряжений ПТ с каналом л-типа и биполярного транзистора п-р-п.

Следует заметить, что по направлению с грелки относительно верти-
кальной черты, условно изображающей канал, можно определить тип ка-
нала (у? или п). Это будет справедливо и для всех условно-графических
обозначений других типов полевых транзисторов. Так, если стрелка
направлена от вертикальной черты (рис. 7.35, а), то канал p-типа, если
же она направлена к вертикальной черте (рис. 7.35, б). то канал п-тина.
Это правило позволяет исключить ошибки в определении типа канала лю-
бого полевого транзистора.

На рис. 7.37 показано сравнение полярностей источников питания Un
и затвора Um для разных каналов. Откуда видно, что полярность источни-
ков питания Сп будет совпадать с полярностью Un биполярных транзисто-
ров соответственно со структурами п-р-п (рис. 7.37, а) и р-п-р (рис. 7.37, б),
а полярность напряжений Uw будет противоположной полярности напря-
жения база - эмиттер биполярного транзистора.

а) б)

Рис. 7.37. Сравнение полярностей источников питания Un
и затвора Um для ПТ с каналами л-типа (а) ир-типа (о)

Режимы и особенности работы нолевого транзистора с каналом
л-типа удобно рассмотреть с помощью ВАХ на рис. 7.38.

Слева от оси ординат показан вид входной ВАХ, отражающей зави-
симость тока стока /с от напряжения на затворе Uw. При напряжении за-
твора (/л, = 0 через ПТ проходит максимальный начальный ток стока /с. нач.
(точка А). С увеличением отрицательного напряжения на затворе ток стока
соответственно уменьшается и при значении — U-m = —Uok прекращается.

Напряжение Umc называется напряжением отсечки. Этому напряже-
нию соответствует полностью перекрытое состояние канала ПТ.

Выходные ВАХ показывают зависимость тока /с от напряжения
для нескольких напряжений на затворе Um. Их можно разделить на две
области: проводимости при относительно небольших напряжениях Т'си и
насыщения - при больших Uvn.

Наклонная прямая (у4-5-СП1) соответствует нагрузочной характери-
стике, которая определяется значением резистора R в цепи стока ПТ
(рис. 7.34). Точка В определяет рабочую точку, которой соответствует ток
стока 1С.(В), напряжение исток-сток UCii(B) и напряжение на резисторе
Ur(B). При этом всегда выполняется условие £/ni = Uctt(B) + Ur(B).

Из рис. 7.37 видно, что изменение напряжения затвора Uw приводит
к изменению тока стока /с. и соответственно напряжений £/си и Ur. Точка В
соответствует режиму усиления и выбирается в средней области ВАХ, так
же, как и у биполярного транзистора.
Рис. 7.38. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора
с управляющим p-w-переходом (канал и-типа):
слева от оси абсцисс - входная ВАХ;
справа от оси абсцисс - выходные ВАХ

Верхняя ВАХ получена при отсутствии напряжения на затворе отно-
сительно истока (£71н = 0). Если подать на затвор напряжение -£4,1, это
приведет к сужению проводящей части канала и уменьшению тока сто-
ка /с. Поэтому насыщение тока происходит раньше. ВАХ [7ЗН = -t/3Hi будет
расположена ниже ВЛХ (U-m = 0). Если дальше увеличивать напряжение
на затворе, то сужение проводящей части канала будет приводить к тому,
что насыщение тока наступает еще раньше, и соответствующие ВЛХ бу-
дут располагаться всё ниже и ниже. Точки, соответствующие насыщению
тока /с, для ВАХ при увеличении напряжения на затворе смещаются вле-
во, поскольку насыщение наступает все раньше и раньше по отношению
предыдущей ВАХ (пунктирная линия). При дальнейшем увеличении
напряжения на затворе, канал полностью перекрывается и ток стока пре-
кращается (это напряжение соответствует напряжению отсечки t/OTC).

Рассмотрим ВАХ при 1/зи = 0. В области проводимости при увеличе-
нии UCK от нуля, ток 7с также увеличивается. Эта зависимость практически
линейная. Однако наступает момент, когда эта зависимость нарушается и
переходит сначала в криволинейную, а затем в прямолинейную (практи-
чески горизонтальную линию).
Точка ВАХ вначале горизонтального участка определяет начало об-
ласти насыщения тока. В этой области /с не зависит от (7Си- Напряжение,
при котором происходит насыщение тока, называется напряжением
насыщения Uc. нас., а ток, соответствующий этому напряжению, макси-
мальным током стока, или током насыщения /с. нас. (горизонтальная и
вертикальная пунктирные линии на ВАХ при (73|, = 0). Переход ВЛХ из
области проводимости в область насыщения и образование практически
горизонтального участка ВАХ можно пояснить влиянием внузреннего со-
противления канала RK (рис. 7.39).

Рис. 7.39. Влияние внутреннего
сопротивления канала

При прохождении /с по каналу происходи! падение напряжения Urk
на сопротивлении канала RK с полярностью, показанной на рис. 7.39. Это
напряжение суммируется с Um, что способствует расширению р-п-
перехода. Поэтому при постоянном U3H повышение напряжения €/си уве-
личивает /с, что приводит к увеличению напряжения Urk, расширению р-п-
перехода, дальнейшему сужению канала и росту его сопротивления /?,.
В результате с увеличением С/Си рост тока вначале замедляется, а затем
практически прекращается. Дальнейшее повышение напряжения на стоке
не приводит к росту тока, так как одновременно с повышением напряже-
ния Um растет и сопротивление канала.

Теперь рассмотрим входную ВЛХ и поясним важный параметр ПТ -
крутизну, который характеризует усилительные свойства ПТ. Схема для
снятия входной ВАХ ПТ показана на рис. 7.40.

Крутизна S характеризует усилительные свойства ПТ и определяется
как [65]:

’ “ , . при [/си = const, (7.37)
где zc - ток стока;

Um - напряжение на затворе (затвор-исток);

Ucn - напряжение сток-исток.

Практически крутизна определяется как отношение приращения го-
ка Л 1с при изменении напряжения на затворе на величину Д Um:

Рис. 7.40. Схема (а) для снятия входной характеристики (б) ПТ

Если Л измеряется миллиамперах, а (7ЗИ - в вольтах, то крутизна 5
указывается в мАВ или в миллисименсах (мСм) (проводимость, обратная
сопротивлению).

Как видно из формулы, крутизна зависит от напряжения на затворе и
возрастает с его уменьшением. Максимальное значение (Smax) имеется при
нулевом напряжении на затворе.

Полевой транзистор может быть включен различными способами: с
общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. Наиболее широко
применяется первая схема - с общим истоком. В ряде специальных случа-
ев применяется вторая схема - с общим стоком (аналог эмиттерного по-
вторителя). Схема с общим затвором применяется намного реже, чем ука-
занные первые схемы и поэтому далее не рассматривается.

Схема с общим истоком (рис. 7.41, п) характеризуется большими
значениями входного и выходного сопротивления. Коэффициент усиления
такого каскада (по напряжению) kC0li равен:

(7.39)
где / д - выходное динамическое сопротивление полевого транзистора:

7?п - сопротивление нагрузки;

р = 5-Гд - собственный коэффициент усиления транзистора.

Для получения максимального усиления необходимо, чтобы смеще-
ние на затворе было как можно меньше. Так как крутизна полевого тран-
зистора зависит от напряжения на затворе, большие входные сигналы бу-
дут заметно искажаться, поэтому эта схема может быть использована
лишь для усиления малых сигналов.

Рис. 7.41. Схемы включения полевого граншсюра

Схема с общим стоком (рис. 7.41, б) характеризуется высоким вход-
ным и малым выходным сопротивлениями и может быть использована в
качестве трансформатора сопротивлений для связи источника с высоким
выходным сопротивлением со схемой с низким входным сопротивлением
(например, с транзисторным усилителем). Эта схема аналогична схеме
эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе и называется исто-
ковыл I повторителел t.

Важным свойством истокового повторителя является относительно
слабая зависимость усиления от крутизны 5, а, следовательно, и от сме-
щения на затворе, что позволяет усиливать без искажений значительно
большие сигналы, чем в схеме с общим истоком.

Выходное сопротивление истокового повторителя равно:

I + S • Я, ~ S

(7.40)
Особенности ИТ с управляющим р-п-переходом

Характерной чертой полевого транзистора является высокое входное
сопротивление, которое определяется в основном сопротивлением пере-
хода затвора, смещенного в обратном направлении. На низких частотах
эта величина для кремниевых приборов превышает 50-100 МОм, что поз-
воляет использовать полевые транзисторы в ряде схем, где применение
обычных транзисторов с низким входным сопротивлением связано с
большими трудностями.

Выходное сопротивление ПТ /?Ных для малых сигналов характеризу-
ется углом наклона выходных характеристик. В рабочей области (насы-
щения) этот угол весьма близок к нулю и, следовательно, 7?ВЫх довольно
велико (порядка сотен килом).

Другим важным свойством полевых транзисторов является низкий
уровень шумов. Это связано с тем, что в полевых транзисторах в отличие
от биполярных отсутствует ряд механизмов, обусловливающих шумы, в
частности, шумы рекомбинации.

Основным фактором, определяющим частотные свойства полевых
транзисторов, является зависимость, его входного сопротивления от ча-
стоты, определяемая емкостью р-п-перехода затвора. В схеме с общим
истоком емкость затвор - исток шрает роль входной емкости транзистора,
а емкость затвор - сток образует цепь отрицательной обратной связи. По-
скольку в транзисторах с /2-и-переходом величина этих емкостей может до-
стигать 10—15 пФ (при нулевом смещении на затворе), то применять такие
транзисторы для усилителей, работающих на частотах выше 0,2-0,5 МГц,
нерационально.

В переключающих схемах автоматики ПТ в основном используются
в ключевом режиме, когда ПТ или открыт или закрыт. Такому режиму со-
ответствует наименьшая мощность рассеяния на самом приборе. Пример
применения ПТ в качестве ключа показан на рис. 7.42.

Как видно из диаграмм (рис. 7.42, б), при (7tII = 0 ПТ открыт, прохо-
дит ток 1С и на резисторе присутствует напряжение Ur„, примерно рав-
ное напряжению питания U„, т. е. Urh ~ Un.

Для переключающих элементов следует учитывать сравнительно
большое сопротивление ПТ в состоянии «включено», достигающее значе-
ния 500- 2000 Ом.

Однако в связи с тем. что в полевых транзисторах накопление и рас-
сасывание заряда играют незначительную роль, время переключения
чрезвычайно мало.

При отрицательных значениях напряжения ток через прибор не
проходит и напряжение на резисторе Urh = 0. Напряжение на ПТ UCH будет
принимать значения, противоположные напряжению Ur„, т. е. отрица-
тельным значениям Uw будут соответствовать положительные значения
напряжения на стоке 17С||. Таким образом, ПТ будет выполнять функцию
инверсии, аналогично биполярному транзистору.

Рис. 7.42. Пример применения II I с каналом л-типа в качестве ключа:
а - схема; б - временные диаграммы

7.3.2. Палевые транзисторы с изолированным затвором

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисто-
ры с изолированным затвором. У них металлический затвор (напыление
алюминия А1) отделен от полупроводникового канала тонким слоем ди-
электрика. При этом обеспечивается полная изоляция затвора от полу-
проводника, что еще больше увеличивает входное сопротивление такого
ПТ по сравнению с сопротивлением запертого перехода (ПТ с р-п~
переходом).

ПТ с такой структурой получили название МДП (металл-диэлектрик-
полупроводник). При использовании кремния в виде основы ПТ, в каче-
стве диэлектрика используется обычно слой двуокиси кремния (S/O?)- От-
сюда произошло часто употребляемое название МОП (металл-окисел-
полупроводник). В английском обозначении такие ПТ получили название
MOSFET: Metall - Oxide - Semiconductor - Field - Effect - Transistor, что в
переводе означает - полевой транзистор со структурой металл - окисел -
полупроводник.

ПТ с изолированным затвором в соответствии с классификацией раз-
деляют на два типа: со встроенным каналом и индуцированным каналом.
Полевые транзисторы со встроенным каналом

Структура ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом по-
казана на рис. 7.43 [48].

Рис. 7.43. Структура ПТ с изолированным за!вором
и встроенным каналом

Из рис. 7.43 видно, что между областями истока и стока с проводи-
мостями /7-типа технологически сформирован канал /7-типа, который и
обеспечивает возможность прохождения тока между истоком и стоком.
Такой канал называется встроенным.

По типу проводимости канала ПТ данной структуры могут быть не
только с каналом //-типа, но и с каналом //-типа. В последнем случае изме-
няются на противоположные подложка (/7-типа) и области истока и стока
(//-типа).

Условно, графические обозначения ПТ с изолированным затвором и
встроенными каналами показаны на рис. 7.44.

Рис. 7.44. У ГО МОП-транзисторов со встроенным каналом

Входные и выходные вольт-амперные характеристики МОП-
транзистора со встроенным каналом /7-типа (например, КП305) показаны
на рис. 7.45.

При отсутствии напряжения на затворе = 0) через канал проходит
начальный ток /с нач. Если на затвор будет подаваться напряжение отрица-
тельной полярности ((У™ = -1В. -2В и т. д.), ток стока будет соответственно
уменьшаться и при определенном напряжении (напряжение отсечки
«-Цис») прекратится совсем. Вместе с тем, если напряжение на затворе бу-
дет положительной полярности, это приведет к увеличению тока стока
(ВЛХ при (73н = +1 В). Зависимость проводимости канала от полярности
напряжения на затворе можно упрощенно пояснить следующим образом.

—{Уш

= +1 В

С',,, = О В

[Ан =-1 В

(Ан = -2 В

Uw = -3 В

Рис. 7.45. Входные и выходные характеристики МОП-транзистора
со Bciроенным //-каналом

Представим металлизированную часть затвора и встроенный канал в
виде конденсатора. Тогда при наличии на одной обкладке конденсатора
отрицательного заряда (отрицательное напряжение на затворе), на другой
обкладке появится такой же заряд, но противоположного знака, т. е. по-
ложительный. Это приведет к уменьшению количества электронов в кана-
ле и, следовательно, к уменьшению тока стока.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе этот эффект
будет увеличиваться, а ток стока соответственно уменьшаться.

При наличии на затворе положительного напряжения (положитель-
ного заряда на обкладке предполагаемого конденсатора) в канале соответ-
ственно увеличивается количество отрицательно заряженных носителей
(электронов), что и приводит к увеличению тока стока. Такое представле-
ние дает возможность однозначно связать полярность и величину напря-
жения на затворе ПТ с соответствующим изменением тока стока по срав-
нению с его начальным значением /СНач-

МОП-транзисторы с индуцированным каналом

Другой разновидностью МОП-транзисторов являются транзисторы с
индуцированным каналом. Их отличие от транзистора со встроенным ка-
налом состоит в том, что, если на затворе нет соответствующего напряже-
ния. канал между истоком и стоком отсутствует, т. е. ток между этими вы-
водами не проходит. Канал появляется только при определенной величине
и полярности напряжения на затворе, что и отражено в названии «индуци-
рованный канал».

На рис. 7.46 показана структура транзистора с индуцированным ка-
налом.

Рис. 7.46. Структура МОП-транзистора
с индуцированным каналом л-типа

Если используется подложка л-типа, то области истока, стока и ин-
дуцированный канал должны быть соответственно /7-типа.

УГО МОП-транзисторов с индуцированным каналом показаны на
рис. 7.47, а, б.

Рис. 7.47. УГО МОП-транзисторов с индуцированным каналом:
а - л-канал; б - /7-канал

В УГО МОП-транзисторов с индуцированным каналом вместо сплош-
ной линии, соединяющей исток и сток, присутствует три черточки (т. е. ли-
ния прерывистая), соответствующие выводам «И», «П» (подложка) и «С».

Па рис. 7.48 представлены входная и выходные вольт-амперные ха-
рактеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом /2-типа.

По входной характеристике видно, что такой транзистор начинает
проводить ток только при напряжении на затворе больше определенной ве-
личины. Это напряжение называется пороговым напряжением: |£/<и| = Г'пор .
На рис. 7.49 показана входная характеристика МОП-транзистора с индуци-
рованным каналом /2-типа.

Рис. 7.48. Входные и выходные характеристики МОП-транзистора
с индуцированным р-каналом

Рис. 7.49. Входная харак/еристика МОП-транзистора
с индуцированным //-каналом

Необходимо обратить внимание на входные характеристики таких
транзисторов и вспомнить модель участка затвор - канал в виде конден-
сатора, которая рассматривалась ранее. С учетом такого представления
для образования (индуцирования) канала //-т ина (дырочная проводимость
с положительным зарядом) на затворе должно присутствовать напряже-
ние Um с противоположным знаком, т. е. отрицательное.

Для образования индуцированного канала //-типа (электронная про-
водимость с отрицательным зарядом) на затворе должно присутствовать
напряжение Um с противоположным знаком, т. е. положительное.

Для начала проводимости каналов, приложенные к затворам напря-
жения, должны быть больше порогового напряжения.

Ключевой режим работы МОП-транзисторов
с индуцированным каналом

Для обеспечения ключевого режима работы часто используется пара
МОП-транзисторов с индуцированными каналами п- и //-типов, которые
включаются последовательно. Такая пара называется комплементарной и
обозначается как КМОП. Схема такого ключа показана на рис. 7.50 [67. 68].

Рис. 7.50. Схема ключа на КМОП-транзисторах

Здесь верхний (по схеме) транзистор УЛ с каналом p-типа, а ниж-
ний - VT2 с каналом /7-типа. Рядом с транзисторами показаны соответ-
ствующие входные характеристики (для упрощения спрямленные). В по-
ложении I переключал еля SA затворы УЛ и Г72 подключены к источнику
питания +1/п. При этом (с учетом входных характеристик) /72 открыт,
а УЛ закрыт, поскольку его затвор соединен через переключатель SA с
истоком, т. е. (7ЗИ = 0. Состояния ключей для положений 1 и II переключа-
теля SA показаны на эквивалентных схемах (рис. 7.51, а и б).

Ux=0

ГЛ

Свых Оп

Рис. 7.51. Эквивалентные схемы ключа для положений переключателя SA:
а - I (ключ разомкнут); б - II (ключ замкнут)

Верхнему положению переключателя SA (рис. 7.50) соответствует
разомкнутое состояние ключа. При этом выходное напряжение (7ВЬ|Х = 0
(рис. 7.51, а).

В положении 11 переключателя SA затворы УЛ и Г72 подключены к
общему проводу (рис. 7.50). При этом КЛ будет открыт, поскольку у него
на затворе будет напряжение -Un по отношению к истоку, а это соответ-
ствует проводящему состоянию транзистора ИЛ (см. входную характери-
стику). Затвор VT2 соединен через ключ с общим проводом и, следова-
тельно, с истоком VT2, что при нулевом напряжении UM = 0 (см. входную
характеристику) соответствует запертому состоянию 172. Эквивалентная
схема для такого состояния показана на рис. 7.51, б. При этом О'вых = Un-

На рис. 7.52 приведены временные диаграммы работы КМОП клю-
ча, из которых следует, что такая схема работает как инвертор, т. е. еди-
ничному входному сигналу соответствует нулевой выходной сигнал и
наоборот.

Рис. 7.52. Временные диаграммы работы КМОП ключа
(I и II - состояния переключателя SA на рис. 7.50)

Особенности полевых транзисторов с изолированным затвором
и области их применения

После рассмотрения принципов работы МОП-транзисторов можно
сделать общие выводы об их особенностях и областях применения.

Интерес к полевым транзисторам с изолированным затвором объяс-
няется следующими их свойствами [69]:

• высоким входным сопротивлением (оно определяется сопротив-
лением утечки окисного слоя и достигает IO10—1015 Ом);

• высокой плотностью расположения таких приборов в интеграль-
ных схемах;

• слабой зависимостью параметров от температуры, так как прин-
цип работы полевых транзисторов основан на использовании ос-
новных носителей тока;

• возможностью эффективного применения в цифровых схемах;
• высокой устойчивостью против воздействия окружающей среды,
обусловленной специальной технологией изготовления (называ-
емой планарной) и работой на основных носителях;

• высокой устойчивостью против радиационного облучения (по
крайней мере, на порядок больше, чем у кремниевых биполяр-
ных транзисторов);

• относительной простотой изготовления и соответственно высо-
ким процентом выхода годных приборов;

• довольно хорошими шумовыми характеристиками приборов;

• малыми габаритами;

• незначительным потреблением энергии;

• высокой надежностью;

• механической прочностью.

Эти положительные качества полевых транзисторов с изолирован-
ным затвором и способствуют их широкому применению.

Они могут быть использованы в схемах усилителей, генераторов,
переключателей, и как резистор с сопротивлением, управляемым напря-
жением, что значительно расширяет область применения ПТ.

Полевые транзисторы с изолированным затвором широко применя-
ются в интегральных логических схемах с непосредственной связью.

При этом достигается высокая экономичность и возможность высо-
кой степени интеграции.

Однако следует иметь в виду, что МОП-транзисторы очень чувстви-
тельны к статическим зарядам, из-за которых может появиться большой
потенциал на затворе и произойти пробой изоляции (диэлектрика, слой
которого составляет 0,2 -0,3 мкм).

Поэтому при работе с такими транзисторами необходимо соблюдать
меры предосторожности: выводы замыкать перемычкой, которая удаляет-
ся после впайки в схему; иметь браслет с заземлением на руке у монтаж-
ника; пайка должна производиться низковольтным паяльником с зазем-
ленным жалом.

Для лучшего понимания особенностей полевых транзисторов в
табл. 7.2 приведены их УГО и входные характеристики.

Вместе с УГО для примера приведены промышленные ПТ данного
типа [67].
7.3.3. Примеры применения полевых транзисторов

Интересные применения JIT рассмотрены в [70]. На рис. 7.53 приве-
дена схема сенсорного датчика на основе ПТ.

В исходном состоянии омметр PI показывает относительно неболь-
шое сопротивление между выводами «И» и «С». Если коснуться пальцем
пластинки сенсора Е, соединенной с затвором, стрелка омметра покажет
резкое увеличение сопротивления участка «С-И». Электрический потен-
циал человека вызвал электрическое поле на участке затвор-канал, кото-
рое и увеличило сопротивление канала.

Если, не убирая первый палец с пластины Е, другим пальцем кос-
нуться вывода истока «И», то стрелка прибора показывает исходное со-
противление. Это произошло в результате замыкания участка «3 - И» со-
противлением руки, поскольку потенциалы «3» и «И» сравнялись.

Рис. 7.53. Сенсорный датчик на основе ПТ

С использованием описанного эффекта работают различные сенсор-
ные кнопки и переключатели.

Высокое входное сопротивление ПТ позволяет’ эффективно исполь-
зовать их в схемах реле времени, при относительно небольших значениях
емкости конденсаторов (и соответственно их размеров).

На рис. 7.54 приведена одна из схем простого реле времени с ис-
пользованием ПТ типа КП 102 [71].

При замыкании ключа 5.41 конденсатор С1 быстро заряжается от ис-
точника питания с напряжением 17 В. При этом транзистор VT\ заперт,
что приводит к запиранию транзистора VT2. Напряжение (/вых равно
напряжению источника питания - 12 В (рис. 7.54, б).

При размыкании ключа SA 1 (начало отсчета времени) конденсатор
С1 начинает разряжаться через резистор /?1, который выбран большой ве-
личины (например, 100 МОм) при относительно небольшой емкости кон-
денсатора С1.
По мере разряда конденсатора и уменьшения напряжения на затворе
транзистора ЕП до определенной величины начинают открываться тран-
зисторы ЕЛ и VT2 (Zi), что приводит к уменьшению выходного напряже-
ния (рис. 7.54, б, интервал t] — ti). Если требуется релейная характеристи-
ка, то выходное напряжение может быть подано на пороговое устройство,
например, триггер Шмитта. Время t\ может быть определено по формуле:

/)2=2Л1С1, (7.45)

где t (с), С (мкФ), R (МОм).

Так. при С1 = 10 мкФ и /?1 = 100 МОм -1\ = 34 мин, a h = 48 мин.

7.4. Биполирныетранзисторы с изолированным затвором

Ранее были рассмотрены два класса транзисторов: биполярные и по-
левые. В результате развития полупроводниковой технологии был создан
полупроводниковый прибор, который объединил положительные свойства
биполярных и полевых транзисторов [72]. Такой прибор получил название
биполярного транзистора с изолированным затвором - БТИЗ. По зарубеж-
ной терминологии - IGBT- {Insulated Gate Bipolar Transistors).

БТИЗ представляет собой объединение в общей структуре биполяр-
ного и полевого транзисторов. Суть работы БТИЗ заключается в том. что
полевой транзистор управляет мощным биполярным транзистором. При
этом переключение мощной натрузки становится возможным за счет
управляющего сигнала в виде напряжения, которое поступает на затвор
полевого транзистора.

Упрощенная эквивалентная схема БТИЗ показана на рис. 7.55 [73], а
УГО на рис. 7.56.

БТИЗ объединяют достоинства нолевых (ПТ) и биполярных (БТ):

• высокое входное сопротивление и низкий уровень управляющей
мощности (от ПТ с изолированным затвором);

• управление напряжением (ПТ-МОП);

• низкое остаточное напряжение во включенном состоянии (от БТ);

• малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких
напряжениях;

• характеристики переключения и проводимость как БТ;

• могут работать при температуре более 100 °C.

Однако необходимо учитывать, что «управление напряжением» не
означает, что схеме управления не нужен источник тока. Затвор БТИЗ или
МОП для управляющей схемы представляет собой конденсатор с большой
емкостью (для мошных устройств до тысяч пикофарад).
К(О

Э(Е)

Рис. 7.55. Упрощенная эквивалентная схема БТИЗ

3(G)

Рис. 7.56. УГО БТИЗ:

а - в отечественной литературе; б - в иностранной

Схема, формирующая сигнал управления затвором (драйвер), долж-
на быть способна быстро заряжать и разряжать эту емкость, чтобы обес-
печить быстрое переключение транзистора.

Диапазон использования БТИЗ - от десятков до тысячи ампер и бо-
лее по току; от сотен вольт до десятков киловольт по напряжению. В диа-
пазоне токов до десятков ампер и напряжения до пятисот вольт целесооб-
разно применение обычных МОП транзисторов, а не БТИЗ. так как при
низких напряжениях ПТ обладают меныним сопротивлением.

Для удобства использования БТИЗ в силовых преобразователях их
объединяют’ в сборки (модули). Пример такой сборки с указанием пара-
метров приведен на рис. 7.57 [72].

Рис. 7.57. Сборка на БТИЗ для коммутации
напряжения до 3300 В и 1200 А
Основное применение БТИЗ - инверторы (преобразователи постоян-
ного напряжения в переменное), импульсные регуляторы тока и частотно-
регулируемые приводы переменного тока. Также они применяются в ис-
точниках сварочного тока, в системах привода мощного электротранспор-
та (трамваи, троллейбусы и др.), где они позволяю']’ значительно увели-
чить КПД, обеспечить высокую плавность хода и возможность рекупера-
тивного (с отдачей энергии обратно в сеть) торможения практически на
любой скорости.

Пример применения БТИЗ в инверторе частотного преобразователя
показан на рис. 7.58 [74]. Из этого примера также видно, почему БТИЗ це-
лесообразно конструктивно оформлять в виде сборок (рис. 7.57).

Рис. 7.58, Упрошенная схема силовой части
частотною преобразователя для управления асинхронным
электродвигателем с инвертором на БТИЗ
Глава 8. ОПТРОНЫ

8.1. Принцип работы, классификация
и рабочие параметры оптронов

Достижения полупроводниковой электроники, создание полупро-
водниковых излучателей света (светодиодов) и приборов, чувствительных
к свету (фотодиодов), позволили перейти к новому направлению, объеди-
няющему электронные и оптические явления в полупроводниках - опто-
электронике.

Элементную базу оптоэлектроники составляют оптоэлектронные
приборы, использующие для своей работы электромагнитное излучение
оптического диапазона. Важным представителем таких приборов являют-
ся оптроны.

Оптронами называются такие оптоэлек тройные приборы, в кото-
рых имеются излучатели света и фотоприемники, оптически и конструк-
тивно связанные друг с другом, часто в общем герметичном корпусе.

Термин «оптрон» образован как сокращение от английского
«optical - electronic device» - оптоэлектронное устройство.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразо-
вании энергии [75]. В излучателях энергия электрического сигнала преоб-
разуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптиче-
ский сигнал вызывает электрический ток или напряжение.

Таким образом, оптрон представляет собой прибор с электрическими
входными и выходными сигналами (связь оптрона с внешней схемой
электрическая). Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с
помощью оптических сигналов, что обеспечивает полную гальваническую
развязку входа и выхода.

Это и определило одно из основных применений оптрона - для
обеспечения 1альвапической развязки входных и выходных элементов
схем, особенно в устройствах силовой преобразовательной техники.

В качестве излучателя обычно служит светодиод, который является
входным элементом оптрона. Фотоприемником служат различные элемен-
ты, чувствительные к оптическому излучению (фоторезисторы, фотодио-
ды, фототранзисторы и т. д.), что определяет разновидности оптронов и
составляет основу их классификаций (рис. 8.1) [75, 76].

Но степени сложности схемы оптрона и типу оптического канала
различают следующие классы оптронов.
7. Оптопары - простые оптроны, состоящие из излучателя и фото-
приемника. между которыми имеется оптическая связь и обеспечена элек-
трическая изоляция. При этом по типу фотоприемника оптопары разделя-
ются на резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные и т. д.

Рис. 8.1. Классификация ошронов

Систему условно-графических обозначений оптоэлектронных при-
боров устанавливает ГОСТ 2.730-73 [77].

Обобщенное условно-графическое обозначение оптронов, а также их бук-
венное обозначение на схемах - VU показано на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Обобщенное условно-графическое
и буквенное обозначение он тронов
(ФП - фотонриемник)

Общий корпус элементов оптрона изображаю! в виде овала, а две
стрелки, направленные от излучателя к фотоприемнику, указывают на оп-
тическую связь между ними.

Примеры графических обозначений оптопар с различными фотопри-
емниками показаны на рис. 8.3.
2. Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОИС) — содер-
жат в своем составе одну или несколько оптопар, а также согласующие
элементы интегральных схем, объединенные при помощи гибридной тех-
нологии в один корпус. Их можно разделить на три основные группы.

Рис. 8.3. Условные графические обозначения оптопар:

R - резисторная; Д - диодная; Т- транзисторная;

У - динисторная(тиристорная)

К первой относятся переключательные микросхемы; эта группа
наиболее многочисленна. Примером может служить микросхема серии
249JIII1, в которой объединены диодный оптрон и интегральная схема,
имеющая два статических состояния, при одном из которых напряжение
на ее выходе равно примерно 0.3 В. а при другом - около 3 В.

Во вторую группу объединены линейные (аналоговые) ОИС, кото-
рые способны выполнять аналоговые преобразования сигналов.

К третьей группе относятся ОИС релейного типа, использующиеся
для коммутации силовых цепей в широком диапазоне напряжений и то-
ков. Их также называют оптореле.

Помимо ОИС основных трех групп существуют и более сложные.
К ним можно отнести функциональные ОИС, выходной сигнал которых
будет находиться в определённой функциональной зависимости от вход-
ного.

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наибо-
лее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изде-
лий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и кон-
структивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традицион-
ными микросхемами, а также их более широкими, по сравнению с
элементарными оптронами, функциональными возможностями.

3. Специальные оптроны обычно имеют особую конструкцию оп-
тического канала. Из специальных оптронов выделим оптроны с откры-
тым оптическим каналом, о которых будет изложено при рассмотрении
возможных применений оптронов. Например, такие оптроны могут при-
меняться в качестве датчиков.

Основными в настоящее время являются диодные и транзисторные
оптопары. Последние имеют некоторые преимущества по сравнению с
диодными. Так, коллекторным током биполярного фотогранзистора
управляют как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи.
У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.
Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительном
режимах, а фотодиод - только в ключевом. Оптроны с составным транзи-
стором имеют наибольший коэффициент усиления, могут коммутировать
напряжение и ток достаточно больших величин и по этим параметрам
уступают лишь тиристорным оптронам, которые лучше всего приспособ-
лены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей.

Система обозначений оптопар состоит из букв и цифр [78]. Первая
буква или цифра определяет материал излучателя (А или 3 - соединения
галлия), вторая буква (О - принадлежность прибора к классу оптопар),
а третья - тип фотоприемника (Д - диодный, Т - транзисторный, У - ти-
ристорный). Резисторные оптопары сохранили исторически сложившиеся
обозначения оптоэлектронных приборов (ОЭП). Далее идет трехзначный
порядковый номер разработки и на конце буква, определяющая группу
приборов данного типа. Например, диодная оптопара ЛОД 101 Б.

Среди множества параметров оптопар [79] прежде всего нужно знать
основные:

• коэффициент передачи по току А7, определяющий отношение
выходного тока к входному;

• время включения /вкл и выключения гвыкл фотоприемника, которые
характеризуют его быстродействие;

• напряжение изоляции оптопары Um, приложенное между входом
и выходом, при котором обеспечивается её электрическая проч-
ность;

• рассеиваемая мощность оптопары Ррас.

В качестве примера познакомимся с упомянутой ранее диодной
оптопарой А ОД 101 Б, для которой на рис. 8.4 приведены конструктив-
ные характеристики и УГО, а в табл. 8.1 и 8.2 её электрические парамет-
ры [80].

Рис. 8.4. Габариты, цоколевка и УГО оптопары АОД101Б
Таблица 8.1

Электрические параметры ошонары АОДЮ1Б

Входное напряжение при 1пр = 10 мА. не более: 1,5 В
Коэффициент передачи тока при 1пр = 10 мА. не менее: 1,5%
Время нарастания и спада выходного импульса при импульсе входного тока 20 мА, не более: 500 нс
Выходной обратный темновой ток. не более 8 мкА
Сопротивление изоляции, не менее: Ю9Ом

Таблица 8.2

Предельные эксплуатационные данные

Входной постоянный ток 20 мА
Входной импульсный ток при длительности импульса не более 100 мкс 100 мА
Входное обратное напряжение 3.5 В
Выходное обратное напряжение на фотодиоде 100 В
Напряжение между входом и выходом 100 В

Отметим достоинства и недостатки оптронов [75].

Достоинства:

• очень высокая электрическая изоляция входа и выхода, одно-
направленность потока информации;

• возможность бесконтактного (оптического) управления элек-
тронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гиб-
кость конструкторских решений управления;

• невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию
электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным
оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищен-
ность, а также исключает взаимные паводки;

• возможность создания функциональных микроэлектронных
устройств с фотоприемниками, характеристики которых под
действием оптического излучения изменяются по заданному
(сколь угодно сложному) закону;

• расширение возможностей управления выходным сигналом оп-
трона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на оп-
тический канал и, как следствие этого, создание разнообразных
датчиков и приборов для передачи информации.
Недостатки:

• низкий КПД, из-за необходимости двойного преобразования
энергии (электричество - излучение - электричество), и значи-
тельная потребляемая мощность;

• сильная температурная зависимость параметров;

• высокий уровень собственных шумов;

• конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в ос-
новном с использованием гибридной технологии.

Перечисленные недостатки оптронов но мере совершенствования
материалов, технологии, схемотехники постепенно устраняются.

8.2. Применение оптронов

В настоящее время оптроны получили широкое применение для со-
гласования микроэлектронных логических блоков с исполнительными
устройствами (реле, электродвигателями, контакторами и др.), а также для
связи между логическими блоками, требующими гальванической развяз-
ки, модуляции постоянных и медленно изменяющихся напряжений,
управления высоковольтными индикаторами [41].

При передаче информации оптроны используются в качестве эле-
ментов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной
нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную
гальваническую развязку устройств управления и нагрузки, действующих
в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов
резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устра-
няются «паразитные» взаимодействия по цепям «земли» и питания. Схема
межблочной гальванической развязки показана на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Схема межблочной гальванической развязки

Примером применения такой развязки могут служить входные и вы-
ходные модули программируемых контроллеров [38] (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Пример гальванической развязки
во входном модуле программируемого контроллера

Широкое применение оптроны находят в схемах коммутации
нагрузки неременного тока (рис. 8.7). Здесь используется тиристорный
оптрон, который обеспечивает непосредственную коммутацию через вы-
прямительный мост нагрузки, которая питается переменным током. При
этом питание и управление светодиодом оптрона обеспечивается от низ-
ковольтного источника постоянного тока с помощью транзистора РТ1
(также может осуществляться управление светодиодом от интегральной
микросхемы).

Рис. 8.7. Схема коммутации нагрузки переменного тока

С использованием оптрона можно построить схему управляемого
делителя (рис. 8.8). Выходная цепь такого делителя напряжения состоит
из последовательно включенных резистора и фоторезистора оптрона. При
изменении светового потока от светодиода оптрона изменяется сопротив-
ление фоторезистора и, следовательно, коэффициент передачи делителя.
Соответственно будет изменяться выходное напряжение (Аых-

Оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнит-
ные аналоги по надежности, долговечности, переходным и частотным ха-
рактеристикам. Управление компактными и быстродействующими опто-
электронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осу-
ществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без
специальных средств электрическою согласования. На основе оптронов и
силовых полупроводниковых ключей выполняют твердотельные опто-
электронные реле [82, 83].

Рис. 8.8. Схема управляемого
делителя напряжения

8.3. Применение специальных оптронов

Кроме описанных ранее, существуют оптроны с так называемым от-
крытым оптическим каналом [41]. Здесь осветителем служит светодиод
инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор,
фотодиод или фототранзистор.

У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излуча-
теля и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим
углом. Оптроны с соосным расположением оптических осей называют
оптопрерывателями (рис. 8.9, а). При этом в зазор между осветителем
и фотоприемником помещается светонепроницаемая подвижная преграда,
с помощью которой можно прерывать световой поток (бесконтактная
кнопка, датчик положения объекта и т. д.).

Отличие других оптронов в том, что их излучение выходит наружу,
отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон,
к фотоприемнику (отражательные опгроны). В таком оптроне выходным
током может управлять не только входной ток, но также изменение поло-
жения внешней отражающей поверхности (рис. 8.9, б).

Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступа-
ют в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или от-
сутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения
или поворота и т. п. Коэффициент передачи тока у оптронов с открытым
оптическим каналом весьма мал и поэтому они применяются в комбина-
ции с интегральными усилителями.
Выход

Рис. 8.9. Устройство оптопар с открытым оптическим каналом:
а - с прямым прохождением светового луча; б - с отражением луча
от внешнего объекта

Конструкции щелевых оптронов с прямым прохождением светового
луча показаны на рис. 8.10 [81].

Рис. 8.10. Примеры конструкций шелевых оптронов

Рис. 8.11. Принцип работы оптопары с открытым
оптическим каналом типов АОР113А и АОРСПЗА:
а - ход лучей; б - измерительная схема; (ИП - источник питания)
Пример применения отражательного ошрона приведен на рис. 8.1 1,
где в качестве оптопары используется оптрон с открытым оптическим ка-
налом типов АОР113А или АОРС113А (рис. 8.11, а) [41].

При наличии двух фоторезисторов реализуется, так называемая,
дифференциальная схема, основой которой является измерительный мост
(рис. 8.11, б). Ее преимуществом является меньшая зависимость от внеш-
них условий (в частное™, температуры) и повышенная чувствительность.

Оптроны с открытым оптическим каналом могут применяться не
только для элементарной регистрации объектов, но и для детального и
точного исследования их характеристик, в частности, для анализа поверх-
ностных эффектов, микроперемещений и т. и.
Глава 9. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

В предыдущих главах рассматривались отдельные дискретные элек-
тронные элементы, которые имели законченное коне груктивное оформле-
ние и несколько выводов, предназначенных для впаивания в общую схему
(например, печатную плату).

Понятно, что с усложнением электронных схем число дискретных
элементов все время увеличивалось, а, следовательно, еще больше увели-
чивалось число паек.

Это приводило к значительным габаритам плат и снижению надеж-
ности устройств, которые выполнялись таким способом.

После изобретения транзистора в 1948 г. и освоения технологии их
производства появилась возможность совершенствования электронной
техники па базе полупроводниковых технологий.

В мае 1952 г. британский радиотехник Джеффри Даммер (англ.
Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею интеграции множества элек-
тронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год
спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на
прототип интегральной схемы (ИС).

Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за
недостаточного развития технологий.

Но уже в конце 1958 г. и в начале 1959 г. трое американцев решили три
основные проблемы, препятствующие созданию интегральных схем [84].

Джек Килби запатентовал принцип интеграции и создал первые
прототипы ИС.

Курт Леговец изобрел способ электрической изоляции компонентов,
сформированных в одном кристалле полупроводника - изоляцию р-п пе-
реходом.

Роберт Нойс изобрел способ электрического соединения компонен-
тов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный
вариант изоляции компонентов на базе планарной технологии, предло-
женной Жаном Эрни.

На основе этих разработок в сентябре 1960 г. была создана первая
работоспособная полупроводниковая ИС (фирма Fairchild Semiconductor).

Первые отечественные ин тег ральные микросхемы были разработаны
в период с I960 по 1962 гг., а их производство было освоено в период с
1962 по 1965 гг. [85]. Определение интегральной микросхемы приводится
в ГОСТ Р 57435-2017 [86]: «Микроэлектронное изделие, состоящее из со-
вокупности элементов (компонентов), элскгрически соединенных или не
соединенных между собой в объеме и (или) на поверхности подложки
(кристалла), и предназначенное для выполнения заданной функции».

Понятие «интегральная» означает, что на одном полупроводниковом
кристалле с помощью лазерной обработки, напыления, легирования и дру-
гих технологических процессов реализуется большое количество элемен-
тов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы. Все элементы выпол-
нены на одном основании, поэтому очень велика температурная стабиль-
ность работы элементов.

Понятие «микросхема» означает, что все элементы имеют очень ма-
лые размеры, оперируют малыми напряжениями и токами: (токи — доли
mA, напряжения - единицы и десятки В). Очень распросгранены напря-
жения питания 5 В, 15 В.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл
или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заклю-
чённую в корпус. Внешний вид печатной платы с интегральными микро-
схемами показан на рис. 9.1 [871.

Рис. 9.1. Внешний вид печатной платы
с nirreipaявными микросхемами

Использование ИМС вместо дискретных элементов (резисторов,
диодов, транзисторов) обеспечивает целый ряд значительных преиму-
ществ [48].

Действительно, отпадает необходимость в многочисленных паяных
соединениях - основном источнике ненадежности, резко сокращаются га-
бариты и масса (благодаря отсутствию корпусов и внешних выводов у
каждою элемента ИМС), значительно снижается стоимость аппаратуры
в связи с исключением множества сборочных и монтажных операций.
9.1. Классификация интег ральных микросхем

Интегральные микросхемы (ИМС) к настоящему времени достигли
высокого уровня совершенства и для их классификации можно использо-
вать большое количество признаков, однако выделим только основные: по
технологии изготовления, по функциональному назначению, по степени
интеграции и по области применения (рис. 9.2).

Но технологии изготовления ИМС можно разделить на полупро-
водниковые, пленочные, гибридные и совмещенные [48].

Определения указанных типов ИМС приводятся далее в соответ-
ствии с ГОСТ Р 57435-2017.

Полупроводниковой называется микросхема, все элементы и меж-
элементные соединения которой выполнены в объеме и (или) на поверх-
ности кристалла (рис. 9.3, а). При изготовлении таких ИМС используется
так называемая планарно-эпитаксиальная технология1, обеспечивающая
формирование под поверхностью кремниевой пластины тонких слоев с
разным типом проводимости и ^-«-переходов на границах слоев.

Технологические вопросы изготовления полупроводниковых и дру-
гих типов ИМС рассмотрены в работе [48].

Полупроводниковые ИМС выполняют на основе биполярных и МДП
(металл-диэлектрик-полупроводник) структур.

Большим преимуществом использования МДИ-струкгур является
возможность значительного увеличения числа активных элементов, фор-
мируемых в одном кристалле, и снижения потребляемой мощности.

Полупроводниковые ИМС составляют основу современной микро-
электроники.

К их преимуществам можно отнести: высокую плотность размеще-
ния элементов при минимальных размерах и массе; высокую надежность,
связанную с уменьшением контактов и соединений за счет создания си-
стемы межсоединений на поверхности полупроводникового кристалла;
высокий уровень автоматизации процесса изготовления полупроводнико-
вых ИМС, что значительно снижает их стоимость.

Недостатками полупроводниковых ИМС являются: трудности полу-
чения пассивных элементов с заданными номинальными значениями; от-
сутствие катушек индуктивности; наличие паразитных связей между эле-
ментами, вызывающих ухудшение качества схем.

Пленочной называется микросхема, все элементы которой выполне-
ны в виде пенок на поверхности подложки (рис. 9.3, б).

1 Термин «планарный» (от английского слова «plane») обозначает плоскостной. Слово
«эпитаксия» образовано от греческих слов «эпи» (над, на) и «такси» (порядок, упоря-
доченное расположение).
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Рис. 9.2. Классификации интегральных микросхем
а)

в)

Соединительные полоски

SiO?

Подложка (кремнии!

Навесной бескорпгсной

Рис. 9.3. Структуры интегральных микросхем:
а - полупроводниковая; б - пленочная; в- гибридная

В зависимости от способа нанесения пленок такие ИМС разделяются
на тонкопленочные и толстопленочные.

Тонкопленочные ИМС изготовляются путем осаждения соответству-
ющих пленок из газовой (разы на подложку. В результате такого процесса
появилась возможность получения прецизионных элементов, т. е. сопро-
тивлений и конденсаторов с малыми допусками на номиналы. Пленки
толщиной до 1 мкм считаются гонкими, а толщиной свыше 1 мкм - тол-
стыми.

Толстопленочные ИМС получают путем нанесения паст разного со-
става на диэлектрическую пластинку-подложку. Проводящие пасты ис-
пользуют для выполнения межсоединений элементов и обкладок конден-
саторов; резистивные - для изготовления резисторов; диэлектрические -
для изоляции обкладок конденсаторов и общей защиты поверхности гото-
вой ИМС. При изготовлении каждого слоя пасту наносят через свою мас-
ку - трафарет с отверстиями (окнами) в тех местах, куда должна попасть
паста данного слоя. При этом пленка сразу приобретает заданную толщи-
ну. Технология нанесения паст не позволяет делать толщину пленок менее
10—20 мкм (типичные значения 50-100 мкм) и не обеспечивает достаточно
малых допусков на номиналы резисторов и конденсаторов.

Однако относительная простога технологии делает её легко реализу-
емой и значительно снижает стоимость изделий по сравнению с тонко-
пленочной технологией. Поскольку пленочные ПМС содержат только
пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности),
то функции, выполняемые такими ИМС, крайне ограничены, однако они
являются основой для другой Iруппы ИМС - гибридных.

Гибридной называется микросхема, содержащая компоненты или со-
вокупность компонентов и элементов, рис. 9.3, в. Здесь под элементами по-
нимаются полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы, кото-
рые не могут быть выделены как самостоятельное изделие. Компонентом
считается часть гибридной микросхемы, реализующая функцию какого-
либо изделия электронной техники, которая может быть выделена как са-
мостоятельно изделие (например, микросхема в бескориусном исполне-
нии). Другими словами, гибридная ИМС представляет собой комбинацию
пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов,
расположенных на общей диэлекз рической подложке.

Такое решение позволяет снять ограничения, присущие чисто пле-
ночным ИМС, причем в качестве дискретных компонентов, являющихся
навесными, могут быть не только диоды и транзисторы, но и полупровод-
никовые бескорпусные ИМС". В соответствии со способом получения пле-
ночных пассивных элементов гибридные ИМС также делятся на тонко-
пленочные и толстопленочные.

По сравнению с полупроводниковыми, гибридные ИМС отличаются
более простой технологией, что снижает их стоимость, но вместе с тем,
позволяет получать высококачественные и стабильные пассивные элемен-
ты с более высокими номиналами резисторов и конденсаторов.

Иа основе объединения технологий полупроводниковых и пленоч-
ных ИМС создаются гак называемые совмещенные ИМС. При этом ис-
пользуется подложка из полупроводникового кристалла, в объеме которо-
го формируются все активные элементы (как у полупроводниковой ИМС),
а пассивные элементы выполняются в виде пленок на предварительно
изолированной поверхности того же кристалла (как у пленочных ИМС).
Технология совмещенных микросхем позволяет создавать высококаче-
ственные активные и пассивные элементы, так как она объединяет досто-
инства технологических методов, применяемых при производстве пле-
ночных и полупроводниковых ИМС, но является более дорогой.
По функциональному назначению ИМС делятся на аналоговые,
цифровые и комбинированные [88].

Аналоговые интегральные микросхемы (или сокращенно АИС)
предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся
по закону непрерывной функции. Типичным примером АИС являются
ИМС, предназначенные для усиления электрических сигналов (операци-
онные усилители и т. д.).

Цифровые интегральные микросхемы (или сокращенно ЦИС) пред-
назначены для преобразования и обработки дискретных сигналов, пред-
ставленных, как правило, двоичным кодом. Примером таких ЦИС являют-
ся ИМС, выполняющие функции регистров, сумматоров и т. д. Разновид-
ностью ЦИС являются логические ИМС (сокращенно ЛИС), содержащие
логические элементы, реализующие операции алгебры логики.

Комбинированные ИМС совмещают формы аналоговой и цифровой
обработки сигналов (аналого-цифровые - АЦП и цифро-аналоговые пре-
образователи - АЦП, коммутаторы и т. д.).

По степени интеграции ИМС делятся на малые (МИС), средние
(СИС), большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС). По ГОСТ Р57435-2017
степень интеграции микросхемы - это показатель степени сложности
микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов.

Степень интеграции определяют по формуле

К - IgA',
где К - коэффициент, определяющий степень интеграции, значение кото-
рого округляюг до ближайшего большего целого числа; 2V- число элемен-
тов микросхемы.

Применение ИМС повышенной степени интеграции позволяет суще-
ственно улучшить основные технико-экономические характеристики си-
стем управления: объемно-весовые показатели, стоимость в расчете на
один функциональный узел, надежность, быстродействие и др.

По области применения ИМС делятся на специализированные
(частного применения) и универсальные (широкого применения). ИМС
частного применения разрабатываются специально для определенного ви-
да аппаратуры, выпускаемой в единичном варианте или малой серией.
Они выполняются обычно в гибридном исполнении.

ИМС широкого применения (логические элементы, усилители, за-
поминающие устройства и т. п.) выпускаются промышленностью на базе
массового производства и выполняются как по полупроводниковой, так и
по гибридной технологиям.

Необходимо отмстить, что ИМС выпускаются сериями. Под серией
микросхем понимается совокупность типов (типономиналов) микросхем,
объединенных с учетом функционального назначения и (или) конструк-
тивно- технологического подобия, изготавливаемых, как правило, в одном
базовом технологическом процессе (процессах).

Другими словами, под серией ИМС понимается:

ряд отдельных функциональных микросхем, объединенных по виду
технологии изготовления, напряжения источников питания, входных и
выходных сопротивлении и уровней сигналов, конструктивному оформле-
нию и способам крепления или монтажа. Обычно в серию ИМС входит
такой набор функциональных микросхем, из которых можно построить
законченное радиоэлектронное устройство.

В состав некоторых серий ИМС входят микросхемы, выполняющие
вспомогательные функции (стабилизаторы напряжения и тока, выпрями-
тели, ключи и др.), а также наборы транзисторов, диодов и других элемен-
тов, используемые при конструировании микроэлектронных устройств.

9.2. Система условных обозначений ИМС

Система условных обозначений современных типов интегральных
микросхем установлена OCT 11 073.915-2000 [89J. В основу системы обо-
значений положен буквенно-цифровой код.

В начале обозначения может присутствовать буква К, обозначающая
ИМС широкого применения. При её отсутствии - данная микросхема
предназначена для более узкого применения. Расшифровка элементов
условного обозначения ИМС представлена в габл. 9.1.

Таблица 9.1

Элементы условною обозначения ИМС

Номер элемента Что обозначает данный элемент
Первый-цифра Определяет группы интегральной микросхемы по конструктивно- технологическому исполнению: 1, 5, 6, 7 - полупроводниковые микросхемы; 2,4, 8 - гибридные микросхемы; 3 - прочие (пленочные, керамические и т. д.)
Второй - две или три цифры От 01 до 99 или от 001 до 999 - указывают па порядковый номер разработки данной серии микросхем. В совокупности с цифрой первого элемента обозначают номер серии, в которую входит данная ИМС
Третий - две буквы Обозначают функциональную подгруппу и вид микросхемы, т. е. назначение микросхемы (табл. 9.2)
Четвертый, пятый и шестой Что обозначают эти элементы, понятно из приводимого примера условного обозначения ИМС
Пример условного обозначения ИМС

К155ЛАЗ J -□*

Различное конструктивное исполнение
бескорпусного варианта ИМС
Отличие по электрическим парамеграм

Порядковый номер ИМС данного функционального

назначения в серии

Функциональное назначение (табл. 9.2)
Порядковый номер разработки данной серии
Конструктивно-технологическое исполнение

Индекс: Для широкого применения

Таблица 9.2

Буквенные обозначения функциональною назначения ИМС
(выборка из OCT 11 073.915-2000)

1 2
1. Формирователи: А Схемы микропрограммного управления ВУ
Адресные АЛ
Импульсов прямоугольной АГ Микрокалькуляторы BX
формы процессоры цифровой ВЦ
Временных интервалов ЛИ обработки сигналов
(таймеры) Кон гроллеры с аналоговыми ВК)
Напряжения АН входами и выходами
Прочие АП
Разрядные АР 3. Генераторы chi налов Г
Тока АТ Прямоугольных сигналов гг
Импульсов специальной формы АФ Линейно-изменяющихся гл
сигналов
2. Схемы вычислительных В Программируемые ГН
устройств: Прочие ГП
Схемы сопряжения ВА Гармонических сигналов ГС
с магистралью Сигналов специальной формы )ф
Схемы синхронизации ВБ
Схемы управления ВВ
вводом-выводом 4. Детекторы д
Контроллеры ВТ Амплитудные ДА
Однокристальные микро-ЭВМ BE Импульсные ди
Комбинированные схемы ВК Прочие ди
Микропроцессоры, ВМ Частотные дс
сопроцессоры Фазовые ДФ
Схемы управления прерыванием ВН Микрокалькуляторы вх
11рочие В11
Микропроцессорные секции ВС
Схемы управления памятью ВТ
1 2
S. Схемы источников вторичною питания: Е 9. Наборы элементов: Н
Диодов НД
Выпрямители ЕВ Конденсаторов НЕ
Стабилизаторы напряжения ЕК Комбинированные НК
импульсные Прочие НП
Стабилизаторы напряжения ЕН Резисторов HP
непрерывные Т ранзисторов НТ
Прочие ЕП Функциональные НФ
Источники вторичного питания ЕС
Стабилизаторы тока ЕТ 10. Преобразователи: п
Цифро-аналоговые ПА
6. Схемы цифровых И Аналого-цифровые ПВ
устройств: Делители частоты аналоговые ПК
Арифметико-логические ИА Напряжения ПН
устройства Прочие ПП
Шифраторы ИВ Код - код ПР
Дешифраторы ИД Частоты ПС
Счетчики ЙЕ Уровня (согласователи) ПУ
Комбинированные ИК Функциональные ПФ
Полусумматоры ИЛ Делители частоты цифровые пц
Сумматоры ИМ
Приемники, передатчики, приемо-передатчнки ИН 11. Запоминающие устройства: р
Прочие ИП ОЗУ регистрового типа РГ
Регистры ИР Динамические ОЗУ РД
Функциональные ЙФ ПЗУ масочные РЕ
расширители Матрицы ОЗУ РМ
Энсрг озависимые статические РН
7. Коммутаторы и ключи: к ЗУ с хранением информации при
Напряжения КН отключении питания
Прочие КП Прочие Р11
Тока кт ОЗУ РУ
ПЗУ с многократным рр
8. JIoi ические элементы: л электрическим
И-НЕ ЛА перепро1раммированием и
И-НЕ/ИЛИ-НЕ ль параллельным вводом/выводом
ИЛ И-НЕ ЛЕ ПЗУ с возможностью PC
И ЛИ мно1 окра тного электри ческо! о
ИЛИ лл перенро1раммирования
НЕ лн с последовательным
Прочие ли вводом/ выводом
И-ИЛИ-НЕ ЛР ПЗУ с возможностью РТ
И-ИЛИ лс однократного программирования
1 2
11. Запоминающие устройства: Р 16. Многофункциональные устройства: X
Статические оперативные РУ Аналоговые ХА
запоминающие устройства Для автоэлектроники ХВ
ПЗУ с ультрафиолетовым РФ Аналоговые матрицы ХИ
стиранием и электрической Цифровые ХЛ
записью информации Прочие хп
Запоминающие устройства РЦ Для бытовых приборов ХР
на НМД 11ро1раммируемые логические хс
микросхемы
12. Схемы сравнения: С Силовой электроники XX
Компарат оры напряжения СА
Временные СВ 17. Фоючувствительные ц
Амплитудные СК схемы с зарядовой свя зью:
1 Трочие СП Линейные цл
Цифровые сц Матричные цм
) Трочие ЦП
13. Триггеры: т
Универсальный (типа J-K) ТВ 18. Преобразователи ч
Динамические тд физических величин
Шмитта тл и компоненты дат чиков:
С задержкой (типа D) тм Влажности чв
Прочие тп I азов чг
С раздельным запуском (R-S) ТР Давления ЧД
Счетные (типа Т) тт Ионизирующих излучений чи
Механических перемещений чм
14. Усилители: У Прочие ЧП
Операционные УД Температуры ЧТ
Импульсные УИ Электромагнитного поля чэ
Низкой частоты УН
Прочие УП 19. Схемы задержки: э
Дифференциальные УС Пассивные эм
Постоянного тока УТ ) Трочие эп
Активные ЭР
15. Фильтры: ф
Полосовые ФБ
Верхних частот ФВ
Программируемые ФМ
Нижних частот ФН
Прочие ФП
Реже игорные ФР
9.3. Аналоговые интегральные микросхемы

9.3.1. Усилители постоянного тока

Аналоговые ИМС служат для усиления и преобразования непрерыв-
ных сигналов, как правило, в виде изменяющихся напряжений. При этом
изменение напряжения может быть медленным, и даже в виде постоянно-
ю напряжения. Это характерно для различных датчиков при автоматиза-
ции производственных процессов, в биологии, ядерной физике и других
областях науки и техники, где выходными параметрами датчиков является
ЭДС постоянного тока малой мощности.

Дтя усиления таких сигналов используют специальные усилители
постоянного тока (УПТ), особенностью которых является возможность
усиления медленно меняющихся сигналов с частотой от а> = 0. При этом
их частотная характеристика имеет примерный вид, показанный па рис. 9.4.

Чтобы обеспечить такую частотную характеристику, в УНТ должна
обеспечиват ься гальваническая связь между каскадами, непосредственная
или с использованием резисторов (а не конденсаторов, как в усилителях
переменного тока). Пример двухкаскадного УПТ с непосредственной свя-
зью показан на рис. 9.5.

Первый каскад

Второй каскад

Рис. 9.5. Схема двухкаскадною УПТ
с непосредственной связью между каскадами
Из этой схемы видно, что потенциал базы транзистора VT2 (второго
каскада) непосредственно определяется потенциалом коллектора транзи-
стора VT1 (первого каскада). Такая гальваническая связь определяет две
особенности УНТ:

• необходимость согласования потенциальных уровней выходного
сигнала предыдущего каскада и входа последующего каскада;

• медленное самопроизвольное изменение выходного напряжения
усилителя (дрейф нуля), даже при отсутствии входного сигнала
(или при его нулевом значении). Основной причиной дрейфа яв-
ляется изменение параметров транзисторов с температурой.

Согласование потенциальных уровней обеспечивается включением в
цепь эмиттера транзистора VT2. резистора /?6, падение напряжения на ко-
тором компенсирует относительно высокое напряжение на коллекторе
транзистора Г7’1 Вместе с тем, наличие резистора 7?6 с относительно
большим сопротивлением в цепи эмиттера уменьшает коэффициент уси-
ления второго каскада. По этой причине построение таких усилителей с
числом каскадов больше трех нецелесообразно.

Для уменьшения дрейфа нуля У ПТ при воздействии различных де-
стабилизирующих факторов применяют дифференциальные (балансные)
схемы, особенно для первых каскадов усилителей, где существует наи-
большая опасность дрейфа.

Схема УПТ параллельного баланса показана на рис. 9.6 [90].

Рис. 9.6. Схема УПТ параллельного баланса

Схема имеет два плеча на транзисторах VT\ и VT2. Входной сигнал в
такую схему можно подавать симметрично (на базы транзисторов VT1 и
VT2) или несимметрично (база одного из транзисторов - заземленный вы-
вод источника питания 67п). Сопротивление нагрузки подключается между
коллекторами транзисторов ГЛ и 172, представляющими одну из диаго-
налей моста, в другую его диагональ подключен источник питания U».
Схема является симметричной и в исходном состоянии потенциалы кол-
лекторов транзисторов выставляются одинаковыми с помощью резисто-
ра Ro, что обеспечивает нулевое выходное напряжение (UBUx = 0). С целью
стабилизации схемы в цепь эмитгера включен общий резистор R?.

Симметрия схемы обеспечивает нулевое выходное напряжение при
воздействии дестабилизирующих факторов, поскольку потенциалы кол-
лекторов транзисторов получают одинаковые приращения в одну сторону
(в «+» или «-»).

Таким образом, дрейф нуля в балансной схеме определяется разно-
стью токов обоих плеч схемы (рис. 9.6), и поэтому значительно меньше,
чем в схеме УПТ прямого усиления (рис. 9.5).

При наличии входного сигнала потенциалы коллекторов получают
одинаковые по абсолютной величине, но противоположные по знаку
приращения, что обеспечивает соответствующее выходное напряжение
((Лых / 0) и ток в нагрузке /?и.

Если на базы транзисторов ГЛ и Г72 будут поступать входные
напряжения C/BXi и [7в.х2 (относительно общего заземленного провода), то
выходное напряжение (7Вых будет пропорционально разности напряжений
Ux! и (7вх2- Поэтому каскад параллельного баланса чаще называют диффе-
ренциальным усилителем (ДУ).

Для улучшения характеристик ДУ (увеличение входного сопротив-
ления, температурной стабильности и т. д.) целесообразно соединить
эмиттеры транзисторов 171 и Г72 и подключить их к общему проводу че-
рез резистор Ri с большим сопротивлением.

Однако при этом снижается коэффициент усиления и требуется
увеличивать напряжение источника питания £/„. По этой причине вместо
такого резистора в эту цепь включают стабилизатор тока (СТ) на от-
дельном транзисторе с фиксированным потенциалом базы, т. е. базовым
током.

Как следует из выходных характеристик транзисторов, при этом
обеспечивается большое значение динамического сопротивления транзи-
стора переменному току и относительно небольшое сопротивление посто-
янному току. Схема ДУ с использованием СТ показана на рис. 9.7 [91J.

Наличие отдельного входа 3 для задания режима источника тока
позволяет регулировать коэффициент усиления ДУ путем изменения ве-
личины тока СТ. Это используют в схемах автоматического регулирова-
ния усиления, множительных устройств, модуляторов и т. д.

Для рассмотрения некоторых параметров ДУ представим его в об-
щем виде, как показано на рис. 9.8.
Вход 1

Вход 2

Вход 3

Рис. 9.7. Упрошенная схема ДУ со стабилизатором тока

Рис. 9.8. Входы и выходы ДУ

Одним из важнейших параметров ДУ является коэффициент усиле-
ния. В зависимости от варианта подключения нагрузки к выводам ДУ раз-
личают плечевой коэффициент усиления (11КУ - нагрузка подключается к
одному из выходов и общему проводу - Сгвых1 и С/выхз) и дифференциаль-
ный (ДКУ - нагрузка подключается между обоими выводами - ивых).

ПКУ равен:

• внх! iz ДС в.|х2

__ ВЫХ I ВЫХ —

171 “ гт , ИЛИ *'‘1/2 “ ГТ
ЯХ вх

ДКУ равен сумме двух плечевых:

+ ^0/2 —

ли ,

вых! вых2

(9.1)

(9.2)

В целом выходное напряжение ДУ t/₽bU( определяется следующим
выражением:

(7Вых Kfl вх + /Ссф’( сф.

вх,

(9-3)

где Кс- дифференциальный коэффициент усиления;

L/BX = Uxi - Un\2 - входное напряжение;

Л’сф - коэффициент усиления синфазного напряжения;

(Аф.вх - синфазное входное напряжение.

Синфазным входным напряжением называется напряжение между
каждым из входов ДУ и общим проводом, равные по величине и совпада-
ющие по фазе. Как было показано ранее, ДУ вообще не должен усиливать
такие напряжения, поскольку усиливается напряжение t/BX = L^xi - Us*2-
Поэтому для синфазных напряжений, когда C7Bxi = С'ВХ2, (Лх = 0 и, следова-
тельно, С'вых = 0. Однако полного подавления синфазного напряжения не
происходит. Это связано с тем, что всегда реально имеется технологиче-
ский разброс параметров транзисторов и резисторов, образующих плечи
ДУ. Степень ослабления синфазного входного напряжения определяется
коэффициентом - А7 / Я'Сф,. Практически это свойство ДУ использу-
ется для ослабления одинаковых помех, действующих на провода, под-
ключенные к входам 1 и 2, а также обеспечивает малую чувствительность
ДУ к изменению напряжения низания и температурному дрейфу.

Отмеченные свойства (малый дрейф, высокое входное сопротивле-
ние, высокая линейность, высокая стабильность и помехозащищенность)
обеспечили широкое применение дифференциальных каскадов усилите-
лей постоянного тока, особенно в аналоговых интегральных схемах, где
ДУ являются основой для построения операционных усилителей, о кото-
рых будет изложено далее.

Примером ДУ в интегральном исполнении может служить микро-
схема К118УД1, схема которого показана на рис. 9.9, и.

Напряжения питания микросхемы должны быть в пределах:

положительного источника +Un, В - (2,7 + 4,4);
отрицательного источника -Un, В - (4.4 + 2.7);

Коэффициент усиления: К\ = 15 (при UBX = 10 мВ,/= 12 кГц);

Ки = 5 (при UBX = 10 мВ. /’= 5 МГц);

Коэффициент ослабления

синфазного напряжения ТСос.сф., дБ, = 60 (при UBX = 1 В,/ =12 кГц);

Входное сопротивление: Авх, кОм, = 6; (/’= 12 кГц);

Выходное сопротивление: Явых, кОм, = 3-5-7 (f= 12 кГц).
Рис. 9.9. Принципиальная схема ДУ (К118УД1) (л)
и типовая схема ею включения (о)

Микросхема представляет собой однокаскадный дифференциальный
усилитель постоянного тока. В её состав входит дифференциальная пара
IT1 и VTA с резисторами /?1 и /?5, стабилизатор тока (транзисторы VT2 и
VT3 в диодном включении, цепь задания режима R3, /?4, /?6). Типовая
схема включения микросхемы К118УД1 приведена на рис. 9.9, б.

9.3.2. Операционные усилители

Операционные усилители - это сложные многокаскадные усили-
тели постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Пер-
воначально выполнялись па основе электронных ламп и использовались
в аналоговых вычислительных машинах для выполнения различных ма-
тематических операций (сложение, вычитание, интегрирование, лога-
рифмирование и т. д.), что и определило их название - операционные
усилители (ОУ). В настоящее время ОУ выпускаются в виде интеграль-
ных микросхем, что обеспечивает их малые габариты, небольшое по-
требление энергии и высокие технические характеристики. Именно в ин-
тегральном исполнении ОУ стали широко применяться в различных
устройствах промышленной автоматики и, в первую очередь, в тири-
сторных и транзисторных преобразователях (ТП) для управления двига-
телями постоянного тока станков с ЧПУ.
Кроме традиционных математических операций, с помощью ОУ в
интегральном исполнении реализуют всевозможные УНТ, усилители пе-
ременного напряжения и тока, видеоусилители, усилители - ограничите-
ли, повторители напряжений, активные фильтры, модуляторы и демоду-
ляторы, функциональные преобразователи, различные генераторы, цифро-
аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и др. Из этого перечня
применений хорошо видно, что интегральные ОУ являются многоцелевы-
ми элементами для реализации различных аналоговых устройств. Струк-
турная схема ОУ представлена на рис. 9.10.

Структура и особенности операционных усилителей

Наиболее широкими возможностями для построения различных
устройств аналоговой обработки сигналов обладает операционный усили-
тель (ОУ). Структурная схема ОУ представлена на рис. 9.10 [91, 92].

Рис. 9.10. Структура операционного усилителя

Обычно ОУ состоит из входного каскада на базе ДУ, каскадов уси-
ления (также на основе ДУ, различной сложности), схемы согласования
потенциальных уровней и выходного каскада. Для защиты входного кас-
када от перегрузок многие ОУ имеют схему защиты входа (ЗВ) в виде
встречно включенных диодов. При отсутствии ЗВ в составе ОУ необхо-
димо подключать такие диоды ко входу для повышения надежности. Схе-
ма зашиты выхода (СЗВ) предназначена для зашиты выходного каскада от
коротких замыканий, которые могут иметь место на практике. Защита
осуществляется путем ограничения тока выходного каскада до безопасной
величины. Выходной каскад ОУ необходим для согласования большого
выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагруз-
кой. Обычно он выполняется по двухтактной схеме. В простых ОУ вы-
ходной каскад выполняется в виде эмиттерного повторителя.

Для обеспечения нормальной устойчивой работы ОУ без самовоз-
буждения предусматриваются элементы внутренней (входят в состав ОУ)
или внешней коррекции.
В качестве примера простого реального ОУ на рис. 9.1 ] приведена
принципиальная схема ОУ типа К14ОУД1 [91].

Рис. 9.11. Принципиальная схема ОУ К140УД1

Первый каскад на транзисторах 1Т1, VT2 выполнен по схеме симмет-
ричного дифференциального усилителя с источником стабильного тока
173, второй каскад 174, VT5 - по схеме несимметричною ДУ, на транзи-
сторах VT1, VT& реализована схема согласования потенциальных уровней,
выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на транзи-
сторе VT9. Делитель 7?5, /?6, 7?7 и транзистор УТ6, включенный диодом,
обеспечивает задание необходимого смещения на базы транзисторов 173 и
РТВ. ОУ имеет два входа (выводы 9 и 10) и один выход (вывод 5). Если по-
дать какой-то сигнал сначала па вывод 9, а затем на вывод 10, то сигналы
на выходе будут противоположными. Стрелки позволяют проследить связь
по фазе выходного и входного сигналов. Сравнивая направления стрелок на
выводах 5 и 10, замечаем, что они направлены в одну сторону, т. е. входной
и выходной сигнал совпадают по фазе. По этой причине вход 10 называется
неинвертирующим (НИ) и обозначается знаком «+». Если аналогично про-
следить связь по фазе выходного напряжения и напряжения, поданного на
другой вход (вывод 9), то заметим, что их фазы противоположны (пунк-
тирные стрелки). Такой вход называется инвертирующим (И) и обозначает-
ся знаком «-». С использованием этих знаков указывают входы ОУ на его
условном обозначении (рис. 9.12. а). Применяется и другое обозначение
ОУ в виде прямоугольника (рис. 9.12. б).

Рис. 9.12. Общее условное обозначение ОУ

Современные ОУ отличаются весьма сложными принципиальными
схемами. Поэтому для практического применения ОУ и анализа схем с
применением ОУ целесообразно ею представление в виде эквивалентной
схемы (рис. 9.13) [93]. В этой схеме со стороны входа отражены входное
сопротивление 7?'вх для дифференциального сигнала (сопротивление меж-
ду входами ОУ) и входные сопротивления для синфазного сигнала 7?'сф
(сопротивление между одним из входов ОУ и общим проводом при разо-
мкнутом втором входе). Выход ОУ представлен на эквивалентной схеме
источником ЭДС с величиной и выходным сопротивлением Л'вых.
Подключение нагрузки к выходу ОУ относительно общего провода пока-
зано пунктиром на рис. 9.13.

С учетом достаточно высоких технических характеристик современ-
ных ОУ для упрощения расчета и анализа схем с его применением вводят
понятие идеального ОУ, который имеет коэффициент усиления по напря-
жению входной ток 7ВХ—>0; входные сопротивления 7?'вх и 7?’Сф—>ос;
выходное сопротивление А«ых^0. На рис. 9.14 представлена статическая
характеристика ОУ, отражающая связь установившихся значений выход-
ного и входного напряжений.

Рис. 9.14. Статическая характеристика ОУ

В общем случае эта характеристика не проходит через начало коорди-
нат, поскольку выходное напряжение может быть отлично от нуля при
UBX = 0. Для смещения статической характеристики в начало координат на
один из входов ОУ подают напряжение смещения 1/см соответствующей
полярности. Поскольку величина напряжения t/CM будет разной для раз-
личных температур окружающей среды, то знание величины изменения
(7СМ при изменении температуры позволяет оценить стабильность ОУ по
постоянному току. С этой целью в справочниках указывают изменение
величины смещения А£7СМ на один градус изменения температуры. Чем
меньше АС4м, тем меньше дрейф нуля, связанный с изменением темпера-
туры окружающей среды, т. е. отклонение от нуля выходного напряжения
при отсутствии на входе после первоначальной компенсации этого откло-
нения напряжением (7СМ. Наклон статической характеристики определяет-
ся коэффициентом усиления А', который может быть определен как соот-
ношение Al/вых/ АОвХ. Если же статическая характеристика смещена к
началу координат, то коэффициент усиления ОУ определяется отношени-
ем Следует заметить, что при больших А' современных ОУ, мак-

симальная величина входного напряжения (7Вх.тах, при котором выходное
напряжение ограничивается значениями U'Ri>lx или U ВыХ составляет доли
милливольт.

Основные технические характеристики ОУ

Интегральный ОУ обладает следующими основными свойствами:

• симметрия двух дифференциальных входов;

• большие коэффициенты усиления по напряжению;

• большая полоса пропускания, начиная от постоянного тока;

• большое входное сопротивление (в идеале - бесконечность);

• малое выходное сопротивление (в идеале - нуль).

Такие замечательные свойства позволяют ОУ служить схемотехни-
ческой основой разнообразных схем, свойства которых определяются
подключенными к нему внешними компонентами, а не собственно опера-
ционным усилителем.

В общем случае ОУ характеризуются большим числом параметров
(более 30), однако, при практическом использовании ОУ число парамет-
ров, представляющих интерес при выборе ОУ, может быть существенно
сокращен, что следует из приведенного ранее перечня основных свойств
ОУ. Основные параметры ОУ аналогичны параметрам дифференциально-
го усилителя, которые были рассмотрены ранее. Для примера в табл. 9.3
приведены основные парамезры ОУ серии К140УД1 и К553УДЦ91].

9.3.3. Основные схемы включения ОУ

Рассмотрим различные упрощенные варианты схем подключения к
ОУ источников сигналов, в том числе с использованием обратных связей
(положительных и отрицательных). Чтобы правильно ими пользоваться,
необходимо показать, как подключаются источники питания и нагрузка
к ОУ. Схема их подключения приведена на рис. 9.15.

Рис. 9.15. Схема подключения ОУ
к источникам низания и натрузке
Основные параметры и назначение ОУ серий: К140 и К553

Таблица 9.3

Тип микросхемы ±(/П, В /пот.max, мА t вых.тах, В /?н тт, кОм ТСуи-Ю3 f/сн., мВ Назначение
К140УД1 ОУ общего назначения
А 6,3^0,31 V ±2,8 5 0,3 4,5 9
Б 12.6±0,63 8.0 ±5,7 1,1-13
В 12,6x0,63 10.0 ±5,7 7 8
К553УД1 ОУ общего назначения
А 15±1,5 8 ±10 2 9-15 10
В 15±1,5 4 20 5

Примечание. Для ИМС с буквенными индексами (А, Б. В) указаны параметры для А, для Б и В указаны параметры, только от-
личающиеся от А.
Следует обратить внимание, что для питания ОУ применяется сдво-
енный источник питания с одинаковыми напряжениями +Un и -t7n, другие
выводы которых соединены между собой и с общим проводом «±».
Нагрузка /?,. подключена к выходу ОУ и общему проводу. Два источника
разнополярного питания ОУ обеспечивают возможность получения на его
нагрузке А,, напряжений с полярностями «+» и «-» относительно общего
провода в зависимости от знаков напряжений, которые подают на входы
ОУ. Необходимо учитывать, что максимальное напряжение на нагрузке Ан
не может быть больше напряжений источников питания ±(7П.

Итак, ОУ имеет:

• три основных вывода'.

- инвертирующий вход «И» (-);

- неинвертирующий вход «НИ» (+);

- выход;

• два вывода питания'.

- положительное напряжение питания +/7П;

- отрицательное напряжение питания -Un.

Примечание. На упрощенных схемах источник питания не показы-
вают, оставляя только выводы питания ±С7„, а в ряде случаев опускают и
эти выводы. Однако надо всегда помнить, как реально должны быть под-
ключены к ОУ источники питания, нагрузка и входные сигналы.

Кроме указанных выводов, у ОУ могут быть и другие вспомогатель-
ные выводы, например, для подключения элементов коррекции, которые
указываются в паспортных данных на ОУ (см. на рис. 9.1 1 выводы 2 и 3).

Рассмотрим основные схемы включения ОУ [47, 94].

Вначале следует рассмотреть варианты включения ОУ без обратной
связи. Полярность напряжения на выходе ОУ зависит от разности напря-
жений на входах усилителя:

где А'() - коэффициент усиления ОУ по напряжению в схеме включения
без обратной связи;

t/BX+ - напряжение на неинвертирующем входе;

Ьвх.. - напряжение на инвертирующем входе.

Величина Ао очень велика (100 000 и более), поэтому ОУ переходит
в состояние насыщения уже при малых входных сигналах (рис. 9.16).

На рис. 9.16 хорошо видно, как связаны между собой выходной и
входной сигналы при их подаче на неинвертирующий (а) и инвертирую-
щий (б) входы.

В первом случае они совпадают по фазе, а во втором - противопо-
ложны. Поскольку при этом другой вход подключен к общему проводу, то
на нем напряжение равно нулю.
Рис. 9.16. Реакция ОУ при подаче входною сигнала:
а - на неинвертирующий вход; б - на инвертирующий вход

Тогда можно сделать вывод, что в этих схемах ОУ ведет себя как
идеальный компаратор, т. е. входной сигнал сравнивается с нулевым
опорным напряжением на втором входе, и переход входного напряжения
через ноль определяет момент переключения выходного напряжения.

Если на второй вход ОУ подать некоторое опорное напряжение Uon,
то получится селектор ненулевого уровня (рис. 9.17).

Сделаем оценку диапазона входного сигнала, при котором ОУ рабо-
тает в линейной зоне. т. е. не достигает насыщения.

Рис. 9.17. Влияние смещения на фирму выходного напряжения

Очевидно, что: ’вх.тах “±-7Г-- Если учесть, что при = ±15 В,
напряжение насыщения около 13 В, а коэффициент усиления примем рав-
13
ным 150 000, то: ±6' т„ =--------= ±87 мкВ.

вх.тах ]50000
Поэтому можно сделать очень важное упрощение: в практических
случаях, если (Лых не равно насыщению, напряжение между входными за-
жимами ОУ можно считать равным нулю.

На рис. 9.18 представлены типовые схемы включения ОУ серий
К140УД1 и К554УД1 без обратных связей.

К554УД1

Рис, 9.18. Типовые схемы включения ОУ:
а - серии К140У Д1; б - К554УД1

Поскольку, как было указано ранее, ОУ обладает очень большим
усилением, то даже малое постоянное входное напряжение, приводит к
тому, что ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность
усиливать.

Кроме того, коэффициент усиления ОУ имеет большой производ-
ственный разброс и зависит от темпера гуры и напряжения питания. По-
этому почти всегда ОУ применяется с глубокой внешней отрицательной
ОС, которая обеспечивает стабильность коэффициента усиления и значи-
тельно уменьшает дрейф нуля выходного напряжения.

Рассмотрим варианты включения ОУ с обратной связью. Вначале
будем анализировать включение ОУ с отрицательной обратной связью.

ОУ с отрицательной обратной связью

Охват ОУ отрицательной обратной связью (ООС) (рис. 9.19) позво-
ляет получить схему, коэффициент передачи которой определяется только
внешними элементами, подключенными к ОУ, и не зависит от коэффици-
ента усиления Аго самого ОУ. Такая схема, т. е. ОУ с внешними элемента-
ми, образующими цепь отрицательной обратной связи, называется реша-
ющим усилителем (РУ).

Этот термин происходит из области аналоговой вычислительной
техники, поскольку именно РУ использовались для выполнения матема-
тических операций над аналоговыми величинами (сравнение, масштаби-
рование, сложение и вычитание, интегрирование, возведение в степень
и др.). ОУ является основой для построения РУ.
Используя ООС, можно рассмотреть два варианта включения ОУ.

Первый вариант, когда входной сигнал подают на инвертирующий
вход (инвертирующий усилитель), а неинвертирующий вход должен быть
заземлен. Чтобы ОС была отрицательной, ее сигнал должен подаваться на
инвертирующий вход (рис. 9.19).

Это схема с параллельной отрицательной ОС по напряжению.

Рис. 9.19. ОУ с отрицательной обратной снятью
(инвертирующий усилитель)

Определим коэффициент передачи такой схемы. Будем считать ОУ
идеальным (А*и—* оо; R^—> оо; Авых—> 0). Поскольку напряжение между вхо-
дами (+) и (-) практически равно нулю, то можно считать, что вход (-) по-
тенциально заземлен, и, следовательно, все входное напряжение приложе-
ив

но к /?|. Тогда = -?*-, т. е. входное сопротивление схемы равно Aj.
«1

Весь входной ток протекает через сопротивление Roc, так как ОУ то-
ка не потребляет (Rm —»ос). Следовательно, Uroc = hx'Rvc- Один вывод Аос
подсоединен к выходу, а второй - к потенциально заземленному входу (-),
поэтому Uroc= (7Вых.

тт / Я ос аЬ|Х г~

Итак, /вх=—— = —— =—й—• ’нак «минус» учитывает разные по-

лярности напряжений С/вх и (7ВЬ1Х. Окончательно коэффициент передачи:

U R

— (9-4)

Выходное сопротивление самого ОУ составляет реально десятки или
сотни Ом. Отрицательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопро-
тивление схемы. При Ао = оо глубина ее бесконечно велика и Авых умень-
шается до нуля.

Второй вариант предусматривает подачу входного сигнала на не-
инвертирующий вход ОУ (неинвертируюший усилитель) (рис. 9.20).
В этой схеме входное напряжение подается на неинвертирующий
вход ОУ, а напряжение ОС - по-прежнему на инвертирующий (через де-
литель /?ос, ^i)- Для идеального ОУ по тем же причинам, что и в инверти-
рующем усилителе, С4х.ди 7ВХ.Ч пренебрежимо малы.

Рис. 9.20. ОУ' с отрицательной обратной связью
(неинвертируюший усилитель)

Поэтому через R\ и 7?ос протекает один и тот же ток /ос, причем

= 4с '(^ос +*i)> =Дс =^,х(нн)- Отсюда коэффициент усиления
неинвертирующего усилителя с ОС:

U R

L* _ ’“'вых _ 1 । Aix

К>...................-1 + ‘7,

с вх(нм) Л1

(9.5)

Входное сопротивление такой схемы для идеального ОУ 7?вх. = ос,
а выходное 7?вых. = 0.

Рассмотрим частный случай для такой схемы включения - схему по-
вторителя Для схемы повторителя выходное напряжение подается непо-
средственно на инвертирующий вход, а входное напряжение на неинвер-
тирующий вход (рис. 9.21).

Тогда коэффициент усиления схемы (при условии Roc = 0, R\ = ос)
оказывается равным Кт = 1.

Такую схему часто используют, когда необходимо, для целей согла-
сования, обеспечить высокое входное сопротивление и низкое выходное.

Рис. 9.21. Схема повюрителя
входного напряжения
ОУ с положительной обратной связью

Кроме отрицательной обратной связи в схемах с ОУ применяют и
положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает получение
полезных свойств схеме ОУ с ПОС.

ПОС осуществляется путем подачи части выходного напряжения на
не инвертирующий вход. Это напряжение является своего рода «опор-
ным», благодаря которому достигается «гистерезис» в выходной характе-
ристике ОУ (рис. 9.22).

Вис. 9.22. Схема ОУ с положительной обратной связью (а),
временная jiiai рамма (#) и гистерезис в зависимости 1/вых от UBX (в)

Действительно, при поступлении на инвертирующий вход, напри-
мер. синусоидального напряжения моменты переключения выходною
напряжения иаых будут определяться моментами сравнения входного
напряжения с уровнями пороговых напряжений сверху Спор(В) и снизу
t'uop(n) (рис. 9.22, б). В результате разных значений этих уровней и форми-
руется выходная характеристика с гистерезисом (рис. 9.22, в). Это обеспе-
чивает четкое переключение выходного напряжения в тех случаях, когда в
составе входного сигнала присутствуют большие шумы или помехи.

Если «опорные» напряжения превышают по величине амплитуду шу-
мов. то полностью исключаются ложные срабатывания схемы (рис. 9.23).
Включив в цепь ПОС диод, можно получить одностороннюю гистерезис-
ную характеристику.

Такой эффект исключительно полезен в схемах формирователей
сигналов от датчиков, сигналы которых часто подвержены влиянию раз-
личных помех. В таких случаях входной сигнал предварительно подают
на пороговое устройство, обладающее гистерезисной выходной характе-
ристикой. в качестве которого часто используют так называемый триггер
Шмитта, выполняемый по схеме на двух транзисторах с общей эмиттер-
ной связью. Рассмотренная ранее схема выполняет, по сути, функции по-
рогового устройства по типу триггера Шмитта, но выполнена на ОУ и об-
ладает лучшими характеристиками: большая амплитуда выходного сигна-
ла и простота настройки порогов переключения.

Рис. 9.23. Влияние ПОС на форму выходною напряжения
при наличии «шумов» на входе:
а - при отсутствии ПОС; б - при наличии ПОС

Дифференциальный операционный усилитель

В преобразовательной технике и системах автоматического управле-
ния очень часто возникает необходимость усиления и последующего пре-
образования разностного входного сигнала (например, задающего сигнала
и сигнала обратной связи). Для таких случаев служат дифференциальные
операционные усилители (ДОУ).

Дифференциальные усилители предназначены для усиления разно-
сти сигналов, подключенных к инвертирующему и не инвертирующему
входам и широко используются в преобразовательной технике. Типовая
схема такого усилителя показана на рис. 9.24.

Рис. 9.24. Дифференциальный ОУ

Зависимость ВЫХОДНОГО напряжения (Дых от ВХОДНЫХ С/нх] И С/вх2
определяется выражением:
(- НЫХ A'u’ I L HXl — £ BX?)-

(9.6)

Коэффициент Ku - дифференциальный коэффициент усиления. При
Uxi = UBX2 напряжение на выходе равно нулю. Эти свойства определяются
тем, что входным каскадом ДОУ является дифференциальный усилитель,
который рассмотрен ранее.

Регулирование коэффициента передачи ОУ

При использовании ОУ часто необходимо изменять коэффициент
передачи схемы. На рис. 9.25 показаны некоторые из возможных вариан-
тов схем регулирования:

а) ^вых где о = —; (9.7)

,, а Я R'

б) <А„х = где « = —i (9.8)

1-« R'

в) Ь'ВЫх = -Ц.х--» где a - —; (9.9)

ct t\.n

г)^.„х=--^.. гдеа = 4*; (9.10)

Рис. 9.25. Способы регулирования
коэффициента усиления ОУ
На рис. 9.26 показана схема регулирования коэффициента передачи
дифференциального усилителя. Зависимость коэффициента передачи от
угла поворота а потенциометра образно пропорциональная.

Рис. 9.26. Регулирование коэффициента усиления
дифференциального усили геля

Сдвиги нуля выходного напряжения
и их компенсация

Операционные усилители, как и другие усилители постоянного тока,
подвержены дрейфу и сдвигам нуля выходного напряжения. Сдвиг нуля
не только вносит ошибку в усиленное постоянное напряжение, но и
уменьшает максимально достижимую амплитуду переменного выходного
напряжения, так как приводит к одностороннему ограничению.

При использовании ОУ возникают ошибки в выходном напряжении
по сравнению с идеальным ОУ. Основные причины ошибок следующие:

• входные токи смещения;

• входной ток сдвига;

• входное напряжение сдвига;

• дрейф усилителя.

По вопросам погрешностей ОУ и
схем на их основе следует обращаться к
специальной литературе [95, 96]. Однако
один из способов повышения качества ра-
боты ОУ, который широко применяется,
необходимо рассмотреть (рис. 9.27). Для
компенсации токов смещения и сдвига
необходимо соблюдать следующее прави-
ло: сопротивление постоянному току меж-
ду входом (+) и общей точкой должно быть

Рис. 9.27. Способ компенсации
токов смешения и сдвига
равно сопротивлению между входом (-) и общей точкой. На рис. 9.27 в
цепь неинвертирующего входа включено компенсационное сопротивление
„ п _ ^1 ‘
величиной Лс.м _ “.

+1\>с

Дрейф нуля усилителя связан с отклонением выходного напряжения
в «+» или «-» при закороченных входах, т. е. при отсутствии входных
сигналов. Для борьбы с такой погрешностью обычно применяют глубо-
кую ООС, а в особо ответственных случаях, например, в устройствах
сравнения электроприводов используют специальные ОУ со структурой
МДМ (модулятор - демодулятор). Это означает, что входной сигнал по-
стоянного тока модулятором преобразуется в импульсный, затем усилива-
ется усилителем переменно! о тока, а на выходе преобразуется демодуля-
тором обратно в постоянный, но уже усиленный до необходимой величи-
ны. При этом дрейф нуля исключается.

При использовании ОУ в усилителях переменного тока перечислен-
ные по1решности практически не сказываются на выходном напряжении.

9.3.4. Применение операционных усилителей в автоматике

Компараторы напряжения

Компараторы напряжения очень широко применяются в микроэлек-
гронных устройствах автоматики. Компаратор предназначен для сравне-
ния входного сигнала t/x с опорным UM. При этом в зависимости от того,
Ux > Unn или < ton (на доли милливольта), на выходе компаратора уста-
навливается напряжение логического нуля или логической единицы. Обыч-
но выходные сит налы компараторов поступают далее на логические схемы.
По своей структуре типовые компараторы состоят из трех каскадов: вход-
ной ДУ, промежуточный усилитель (ПУ) и формирователь уровня (ФУ).

Рис. 9.28. Структура типового компаратора напряжения

Компараторы занимают промежуточное положение между аналого-
выми и цифровыми ИС и являются, по существу, простейшими аналого-
цифровыми преобразователями. Они широко применяются как селекторы
уровня, когда входной сигнал Ux сравнивается с одним или несколькими
опорными напряжениями Uon i, Ц>п2, ... Conn-

Рассмотрим несколько компараторов на ОУ [95]. На рис. 9.29 приве-
дена схема однопорогового компаратора.
Рис. 9.29. Схема однопороговою компаратора (а)
и его передаточная характеристика («)

При (Увх = ицор напряжение (УВ1>1Х ~ 0, стабилитрон и диод закрыты,
а цепь обратной связи ОС разомкнута. Если входной сигнал станет боль-
ше. или меньше (УП1,Р (на несколько десятков микровольт), то происходит
изменение О’Вых в пределах единиц вольт из-за большого коэффициента
ОУ, которое прекращается, как только откроется диод или стабилитрон и
коэффициент передачи по цепи ОС станет равным единице.

В этой схеме: (У11ор = (70П; если (Увх > (Люр, то С’вых = -&л, если UBX < (7пор,
то Uablx = (Ус1, где (Уст и (Уд - соответственно падения напряжения на стаби-
ли гроне и диоде.

В тех случаях, когда требуется контролировать факт нахождения
входной величины UBX в определенных пределах, окажется полезным двух
пороговый компаратор.

Такой компаратор отличается тем, что состояние его выходного сиг-
нала изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором
диапазоне (рис. 9.30).

Рис. 9.30. Схема мостового двухпорогового компаратора («)
и ею передаточная характеристика (б)

Диодный мост включен в цепь ОС усилителя. Изменение (УВЬ1Х про-
исходит, как только входной ток 1\ превысит, или станет меньше тока А,
тдаваемого в мост цепью смещения. При изменении (Лых переключаются
диоды и изменяется значение коэффициента передачи по цепи ОС. Точ-
ность уровней дискриминации и минимальная ширина окна ограничивает-
ся десятками милливольт из-за разброса падений напряжений на откры-
тых диодах. Напряжения верхнего (С7В) и нижнего (t/H) порогов переклю-
чения определяются следующими выражениями:

U = -и

в D V л д / оп?

=“«/„+ ил)-ит.
Ну

(9.11)

(9.12)

При наличии во входном сигнале значительных помех используют
так называемые регенераторные компараторы, обладающие петлей гисте-
резиса в передаточной характеристике (рис. 9.22).

Стабилизаторы напряжения

Операционные усилители нашли широкое применение в высокока-
чественных компенсационных стабилизаторах напряжения, схема одного
из них показана на рис. 9.31 [95].

Рис. 9.31. Компенсационный стабилизатор напряжения
на операционном усилителе 140УД7

Схема стабилизатора состоит из источника опорного (стабильного)
напряжения, которое обеспечивает параметрический стабилизатор (рези-
стор Ri и стабилитрон P7D1); делителя выходного напряжения (резисторы
и R4), операционного усилителя DA 1 типа 140УД7. который усиливает
разностное напряжение (7е1 - идел и управляет регулирующим транзисто-
ром VTI для компенсации отклонения выходного напряжения ивых от тре-
буемою значения. Резистор R? и транзистор VT2 относятся к схеме защи-
ты стабилизатора от короткого замыкания.

В настоящее время выпускаются и широко используются интеграль-
ные стабилизаторы, например. К142ЕН [97].
Схема выделения абсолютной величины сигнала
(выделения модуля)

Подобные схемы применяются, когда нужно получить информацию
о величине разнополярного сигнала, одновременно приведя его к одному
знаку. Пример такой схемы показан на рис. 9.32 [47]. Для сигнала отрица-
тельной полярности диод VD\ открыт, а диод VD2 заперт. При этом вход-
ной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, и выходной сигнал бу-
дет положительной полярности. Для положительного сигнала заперт диод
KD1, а диод VD2 открыт, что обеспечивает поступление сигнала на не ин-
вертирующий вход. Выходной сигнал в этом случае будет также положи-
тельной полярности. При равенстве величин сопротивлений всех резисто-
ров коэффициент передачи схемы для обеих полярностей входного
напряжения будет равным единице.

Рис. 9.32. Схема выделения модуля (а)
и его статическая характеристика (о)

Функциональные усилители

Функциональные усилители - это устройства с отрицательной об-
ратной связью, коэффициент усиления которых зависит от уровня входно-
го сигнала, т. е. они фактически являются нелинейными усилителями.

В общем случае для увеличения коэффициента усиления К =—т2-

«I
с ростом входною напряжения требуется уменьшение глубины обрат-
ной связи, а для уменьшения /Сос с ростом (7Вх, наоборот, ее увеличение.

На рис. 9.33 показаны две простые схемы, поясняющие формирова-
ние нелинейной зависимости UlilM По мере изменения входного и

выходного сигналов последовательно открываются смещенные диоды,
подключая параллельно к основным резисторам 7?, или RkK дополнитель-
ные резисторы, изменяя тем самым коэффициент передачи схемы.
Рис. 9.33. Функциональные усилители:
а - увеличение К; б- уменьшение К

Генератор напряжения треугольной формы

Схема генератора и диаграмма напряжений его работы показана на
рис. 9.34.

Рис. 9.34. Генератор треугольною напряжения
Схема включает два элемента: генератор линейно-изменяющегося
напряжения и компаратор. Принцип работы такой схемы будет понятен,
если ее разбить на гри этапа.

На первом этапе рассмотрим работу генератора линей но-изменяюще-
юся напряжения, управляемого вручную (рис. 9.35).

Рис. 9.35. Принцип формирования треугольного напряжения:
а - схема моделирования; б - временные диаграммы

Когда переключатель находится в верхнем по схеме положении, на
входе ОУ напряжение - 15 В и выходное напряжение t7Bblx растет; при
нижнем положении переключателя 1/вых падает.

В момент t = 0 при верхнем положении переключателя на схему по-
дается питание. Напряжение С/вх отрицательное, U3bVi растет. При дости-
жении (7Вых верхнего порогового напряжения UnB ключ переключается в
нижнее положение, U3X становится положительным, а выходное напряже-
ние спадает. В момент достижения нижнего порогового напряжения (7ПН
вновь переключается ключ, U3btx снова растет и т. д. Чтобы добиться авто-
матического переключения, необходимо заменить ручной ключ компара-
тором.

Па втором этапе следует разобраться в работе компаратора, выпол-
ненного на операционном усилителе с положительной обратной связью
(рис. 9.22). Принцип его работы приведен ранее, только вместо синусои-
дального входною сигнала в данном случае используется сигнал, тре-
угольной формы (рис. 9.35).

На третьем этапе подключим выход генератора линейно-нараста-
ющего напряжения к входу компаратора, а выход компаратора - к входу
генератора, т. е. получим полную схему генератора напряжения треуголь-
ной формы, показанную на рис. 9.34. Работа генератора ясна из приведен-
ной на этом же рисунке диаграммы.

Используя аналогичный принцип заряда-разряда конденсатора, мож-
но строить различные схемы одновибраторов, мультивибраторов, времен-
ных элементов.
Генератор синусоидальных колебаний

В радиоэлектронике и автоматике широко используют генераторы
синусоидальных колебаний, принцип работы которых основан на исполь-
зовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста
Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих ЛС-цеией.

Одна из простых схем генератора синусоидальных колебаний пока-
зана на рис. 9.36 [95].

Рис. 9.36. Схема простою генератора
синусоидальных колебаний

В цепь положи тельной ОС включен делитель, состоящий из рези-
стора Ri и терморезистора RK, и фазосдвигающий конденсатор С. Термо-
резистор стабилизирует цепь ОС: если напряжение на входе ОУ возрас-
тает. сопротивление терморезистора падает, и коэффициент передачи це-
пи ОС уменьшается и наоборот. Напряжение источника питания может
изменяться от ±5 до ±18 В. Типовое значение амплитуды напряжения при
Un = ±10 В составляет 5 В. Частота синусоидального выходного напря-
жения, с указанными на схеме номиналами элементов, равна 2 кГц.

Унифицированные регуляторы на базе ОУ

В общем случае на входе и в цепи обратной связи ОУ (рис. 9.19), мо-
гут быть включены комплексные сопротивления Z{{p) и Z,K{p). Передаточ-
ная функция такого усилителя по аналогии будет иметь вид:

»'(/’) = ^h!7y = -y7y. (9.13)

UM zt(p)

При этом имеется возможность реализации более сложных матема-
тических операций и передаточных функций различных звеньев. Легко
реализуются различные законы регулирования: пропорциональный (П),
интегральный (И), дифференциальный (Д), пропорциональпо-интеграль-
ный (ПИ), пропорционально-интет-рально-дифференциальный (ПИД) и др.
Например, для ПИ-регулятора:

/\.+—1—

__________________________РСрс _ Р&осС<х + 1 _ РТрс + I (9141
Z,(p)________р^сж Рти ’ • 7

где Тж = RocCoc - постоянная времени цепи обратной связи;

Ти = 7?|СОс - постоянная времени интетрирования.

В табл. 9.4 приведены схемы наиболее распространенных регулято-
ров и корректирующих устройств на операционных усилителях, их пере-
даточные функции и переходные характеристики [47].

Таблица 9.4

Активные регуляторы и корректирующие устройства
Окончание табл. 9.4

9.4. Цифровые логические интегральные микросхемы

Цифровые ИМС можно разделить на гри группы: логические, аппа-
ратные цифровые (счетчики, регистры, ЗУ) и программные цифровые
(микропроцессорные). Рассматривая особенности схемного построения
ИМС (схемотехники), приходится учитывать, что схемные решения очень
связаны с технологическими принципами выполнения ИМС (схемотехно-
логия). Это будет видно при рассмотрении базовых элементов различных
ИМС. Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим
признакам цифровые интегральные схемы выпускаются сериями.

Микросхемы одной серии изготавливают по единой технологии,
и они имеют сходное конструктивное исполнение. В состав современных
развитых серий входят десятки типов микросхем - от логических элемен-
тов до функционально законченных узлов: счетчиков, регистров, сумма-
торов, запоминающих устройств, арифметико-логических узлов, микро-
процессоров и других.

Специалисту по электронной автоматике необходимо хорошо ориен-
тироваться в вопросах схемотехники и технологии современных ИС, по-
скольку именно они в основном определяют их эксплуатационные пара-
метры.
Логические ИМС

Рассмотрим схемотехнику логических ИМС, относящихся к дис-
кретным устройствам, выполняющим переключательные функции (лат.
discretus - разделенный, прерывистый).

Базовые элементы логических ИМС можно представить в виде двух
составляющих (рис. 9.37). Первая часть БЛО обеспечивает выполнение
логической операции (И, ИЛИ), вторая часть БУР служит для усиления
выходного сигнала первой части и обеспечения подключения входов
большого числа других элементов при построении развитых логических
схем.

Базовый элемент ИМС

1 1 ъ Блок логической операции БЛО Блок усиления и развязки БУР 1 1 Выход 1
1 л 1 Логические 1
р входы 1 л л 1 1 1
1 Г 1
L J

Рис. 9.37. Структура базов«и о элемента логической ИМС

Рассмотрим БЛО, который реализует логическую функцию «И» на
основе диодов (рис. 9.38). Входные сигналы будут определяться положе-
нием переключателей SA 1 - SA3. Они могут находиться в двух положени-
ях: нижнем (Н), при котором вход БЛО соединен с общим проводом (что
соответствует низкому уровню входного сигнала - лог. 0), и верх-
нем (В), при котором вход БЛО соединен с проводом питания +1/п (что
соответствует высокому уровню входного сигнала С/1 вх - лог. 1).

Пусть вначале все переключатели находятся в нижнем положении.
При этом на входах БЛО присутствует низкий уровень напряжения С ,
диоды Р77>1 - VD3 оказываются открытыми и через них проходит ток
(путь тока показан для нижнею по схеме диода VD3).

Напряжение в общей точке А будет равно падению напряжения на
открытом диоде (для кремниевых диодов ~ 0,7 В. При этом выходное
напряжение БЛО близко к нулю, что соответствует низкому логическому
уровню С/вым.

Если перевести какой-либо переключатель в верхнее положение, то
соответствующий этому входу диод запирается (например, 5.41, подклю-
ченный к входу exl с диодом 17)1), поскольку напряжение Ui останется
без изменения (другие диоды открыты), а к катоду диода 17)1 будет при-
ложено положительное напряжение источника питания, т. е. = +(7П.
Можно видеть, что подобное состояние схемы БЛО будет не только
при переключении в верхнее положение одного из трех переключателей
SA, но и при переключении двух одновременно, поскольку один из диодов
все равно оказывается открытым (переключатель SA которого находится в
нижнем положении). Состояние схемы БЛО изменится только при одно-
временном переводе всех трех переключателей SA в положение (В). На ка-
тодах всех диодов - VD3 оказывается напряжение С/п, что обеспечи-
вает их запирание. При этом через резисторы 7?/, R2 и диод VD4 пойдет ток
/'вых, значение которого определится из выражения:

я,+т?. ’

(9.15)

где 0,7 В - падение напряжения на о ткрытом диоде 17)4. Toi да выходное
напряжение (7Вых будет соответствовать уровню логической единицы и
равно:

ВЫХ ^ВЫХ К?

(9.16)

Таким образом, при положительной логике, когда уровню лог. 1 на
входе БЛО соответствует уровень высокого напряжения, рассмотренная
схема БЛО реализует логическую операцию «И». Действительно лог. 1 на
выходе устанавливается только тогда, когда на все входы одновременно
будут поданы лог. 1.
Если принять за исходное состояние высокий уровень входных
напряжений (все переключатели в положении «В»), то при переключении,
хотя бы одного (любого) переключателя SA в положение «//», на выходе
ЕЛО устанавливается уровень лог. 0. Таким образом, при отрицательной
логике (для нулевых логических сигналов на входах) схема ЕЛО будет
выполнять логическую операцию «ИЛИ». На определенном этапе выпуска
ИМС с ЕЛО на диодах стало ясно, что для улучшения электрических па-
раметров логических ИМС выгоднее заменить группу диодов ЕЛО так
называемым многоэмиттерным транзистором. На рис. 9.39, а и б показаны
для сравнения схема ЕЛО на диодах (рассмотренная ранее) и модель мно-
гоэмиттерного транзистора (МЭТ) на диодах.

Сравнивая схемы рис. 9.39, а, б, можно видеть их эквивалентность, и
один и тот же принцип работы. МЭТ является продуктом интегральной
схемотехники.

Рис. 9.39. Реализация БЛО:

а - на диодах; б - модель многоэмиттерною транзистора (МЭТ); в - на МЭТ
От обычных биполярных транзисторов МЭТ отличается тем, что
имеет несколько эмиттеров (2. 3, 4 или 8), объединенных общей базой
(рис. 9.39, в). Эмиттеры расположены гак, что непосредственное взаимо-
действие между ними через участок базы отсутствует.

Поэтому много эмиттерный транзистор можно рассматривать как со-
вокупность нескольких независимых транзисторов с объединенными кол-
лекторами и базами (рис. 9.40). Такой транзистор занимает меньшую пло-
щадь, а, следовательно, имеет малую паразитную емкость, благодаря чему
быстродействие микросхем с МЭТ выше. Число эмиттеров определяет чис-
ло входов элемента, в котором он используется.

Рис. 9.40. Схема замещении .многоэмиттерною
транзистора несколькими транзисторами

С учетом отмеченных преимуществ МЭТ стали широко применять
для реализации БЛО.

Как видно из рис. 9.37, выходной сигнал БЛО поступает на блок
усиления и развязки БУР, который необходим для обеспечения подклю-
чения к базовому элементу многих других логических элементов при реа-
лизации сложных логических функций.

Как правило, БУР выполняется по схеме инвертора. Простой инвер-
тор состоит из одного транзистора, который работает на нагрузку R в цепи
коллектора, подключенную к источнику питания Un (рис. 9.41, а) [92, 98].

Рис. 9.41. Базовые схемы БУР для ИС потенциального типа:
а - инвертор; 6- повторитель; в - парафазный усилитель
В этом случае входной сигнал X подают на базу транзистора, а вы-
ходной сигнал х снимают с его коллектора в противоположном (инверс-
ном) виде. Отсюда и название каскада - инвертор.

Если транзистор работает на нагрузку в цепи эмиттера, подсоеди-
ненную к общему проводу, то такой каскад повторяет входной сигнал
(рис. 9.41, б).

При нагрузке, подсоединенной одновременно к коллектору и эмит-
теру, транзистор инвертирует сигнал на коллекторе и повторяет его на
эмиттере (рис. 9.41, в). Такое включение транзистора используется в
сложных инверторах. Простые или сложные инверторы составляют осно-
ву схемотехники обширного класса логических ИМС.

Простой усилитель-инвертор с резистивной нагрузкой обладает ма-
г т О
лым выходным сопротивлением при низком выходном уровне с/8ЫХ и
сравнительно большим выходным сопротивлением при высоком выход-
ном уровне ^ых, которое ограничивает быстродействие логического эле-
мента (ЛЭ) в целом, из-за увеличения времени заряда паразитных емко-
стей Сп (рис. 9.42).

Рис. 9.42. Цепь наряда паразитной
емкости на выходе простою инвертора.
Постоянная времени заряда т< = R • С»

Рис. 9.43. Оконечный каскад
по схеме сложною инвертора

Для улучшения выходных характеристик логического элемента вы-
ходной каскад выполняют по более сложной схеме. На рис. 9.43 показана
одна из схем подобного рода.

Она является хорошей иллюстрацией к пояснению варианта БУР с
парафазным усилителем (рис. 9.41). Действительно на транзисторе VT1
реализована схема с прямым X и инверсным X выходами, что необходимо
для управления транзисторами Е72 и И 73 выходного каскада. Такая схема
позволяет значительно уменьшить время перезаряда паразитных емко-
стей Сп последующих логических элементов, подключаемых к БУР, и
кроме того, обеспечивает повышенную нагрузочную способность БУР.
Как видно из схемы, транзисторы VT2 и УТУ работают в противофазе, од-
нако в моменты переключения они на короткое время оказываются в про-
водящем состоянии. Относительно небольшой по номиналу резистор /?4
ограничивает броски тока в цепи питания. Диод УП1 - смещающий, обес-
печивает надежное запирание УТ2 приоткрытом УТУ.

Поскольку блок усиления и развязки всегда выполняется на транзи-
сторах, общее название типа логики базового элемента образуется из пер-
вой буквы элементов, на которых реализуется логическая функция в БЯО
(Д - диодная, Т - транзисторная) и буквы Т - транзисторная, для указания
на элементы, которые использованы для построения БУР.

Таким образом, по принятой схемотехнике базовые элементы логи-
ческих ИМС получили название ДТП и ТТЛ. что означает диодно-
транзисторная логика и транзисторно-транзисторная логика.

Кроме названных, на базе биполярных транзисторов используют и
другие типы логик: эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) и инжекционно-
интегральная логика (ИИЛ или И2Л).

На полевых транзисторах широко реализуются схемы с использова-
нием структуры КМОП.

Схемотехника и особенности перечисленных логик кратко рассмот-
рены далее [99, 100J.

Диодно-транзисторная логика

Базовый элемент диодно-зранзисторной логики ДТЛ представлен на
рис. 9.44 вместе с передаточной характеристикой.

Выходы предше- ЛЭ ДТЛ
ствующих каскадов

Рис. 9.44. Базовый элемент ДТЛ (2И-НЕ):
а - принципиальная схема базового элемента;
б - переда) очная харакгеристика

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 В
Диодная схема И/ИЛИ на входе, подсоединенная к инвертору через
цепочку из одного-двух последовательных диодов, обеспечивает выпол-
нение функций И-НЕ / ИЛИ-HE (для положительной и отрицательной ло-
гики) при наличии одного транзистора-инвертора в схеме.

Транзисторы УТ' и УТ" представляют собой выходные ступени
предшествующих каскадов (подобно РТ1 в данном каскаде). Диоды Р791 и
VD2 и резистор /?/ образуют входную логическую схему, выполняющую в
положительной логике операцию И, диод VD3 - смещающий (буферный),
транзистор FT1 с резистором Яз служит усилителем-инвертором. В неко-
торых типах микросхем с целью повышения помехоустойчивости ставят
не один, а два буферных диода, включенных последовательно.

Логический элемент ДТЛ (ЛЭ ДТЛ на рис. 9.44, а) соответствует
рассмотренному ранее БЛО на диодах (рис. 9.38). При наличии двух вхо-
дов XI и Х2 ЛЭ ДТЛ выполняет операцию 2И-НЕ с простым инвертором
на выходе (F71).

На схеме показаны два входа XI и Х2. Увеличение числа входов
(расширение по И) достигается добавлением диодов, аноды которых под-
ключают к входу ЕХ. В этом состоит одно из достоинств ДТЛ-схем.

Типовая передаточная характеристика элемента с питанием I)„ = 5 В
представлена на рис. 9.44, 6. Из графика видно, что интервалы входных
напряжений, соответствующие состояниям логического нуля и логической
единицы, следующие: 0 < < 1,2 В; 1,5 В < U]BX < 5 В. Реальные напряжения

таковы: UBX < 0,4 В (Цк.э для УТ'), a Uвх близко к L/n = 5 В, что в результате
обеспечивает хорошую помехоустойчивость.

Схемотехника ДТЛ использовалась ранее для логических ИМС,
в настоящее время она устарела.

Транзисторно-транзисторная логика

В области логических ИС значительным событием явился в начале
1962 г. выпуск в продажу фирмой Sylvania первого семейства разработанной
Томом Лонго фанзисторно-гранзисторной логики (ТТЛ) - исторически пер-
вый тип интегральной логики, сумевшей надолго закрепиться на рынке [85].

Использование в БЛО МЭТ в сочетании со сложным инвертором
обеспечило начало обширного семейства схем ТТЛ. Они широко применя-
ются в цифровой аппаратуре. В них удачно сочетаются хорошие функцио-
нальные показатели: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочная
способноеть - с умеренным потреблением энергии и невысокой стоимо-
стью. Различают несколько разновидностей ТТЛ-микросхем: универсаль-
ные (стандартные) серии, повышенного быстродействия, с малым потреб-
лением мощности, а также серии микросхем на транзисторах Шоттки в
двух вариантах - обычном и маломощном.
Номенклатура микросхем ТТЛ весьма разнообразна и содержит раз-
личные изделия, от простых логических элементов до готовых функцио-
нальных узлов: счетчиков, регистров, запоминающих и арифметико-
логических устройств.

Основные элек грические параметры для всех серий ТТЛ согласова-
ны, благодаря чему изделия, относящиеся к разным сериям, могут непо-
средственно соединяться друг с другом. Типовые значения этих парамет-
ров приведены в табл. 9.5.

Дополнительным достоинством микросхем ТТЛ является их сопря-
гаемость с микросхемами других видов логики - непосредственно, как в
случае с ДТЛ, или посредством преобразователей уровней.

Таблица 9.5

Основные элекгрические параметры ТТЛ

11араметр Значение параметра
минимальное номинальное максимальное
Напряжение питания. В Выходное напряжение, В 4.75 5.0 5,25
высокий уровень 2,4 3,3 —
низкий уровень Входное напряжение. В — 0.2 0.4
высокий уровень 2,0 3,3
низкий уровень — 0.2 0,8

Универсальные (стандартные) серии ТТЛ

Самыми развитыми по номенклатуре являются универсальные серии
микросхем, в составе которых значится около сотни изделий различного
функционального назначения. Длительное время эту группу представляли
микросхемы серий 133 (К 133) и 155 (К 155, КМ 155), которые отличались
друг от друга конструкцией корпуса.

Обычно для этих серий коэффициент разветвления по выходу п = 10
(определяет число входов других микросхем, которые могут быть под-
ключены к одному выходу, а коэффициент объединения по входу т < 8
(определяет число выходов других микросхем, которые могут быть под-
ключены к одному входу данной микросхемы).

В состав серий, кроме логических, входят и аппаратные цифровые
ИМС: триггеры, вспомогательные схемы, мультиплексоры, схемы кон-
троля, схемы повышенной степени интеграции, представляющие собой
отдельные узлы ЭВМ. регистры, счетчики, сумматоры, схемы памяти.

В настоящее время применяют усовершенствованные ИМС ТТЛ се-
рии К555.
На рис. 9.45, а показана принципиальная схема логического базового
элемента 155-й серии [99].

Рис. 9.45. Базовый элемент ТТЛ 155-й серии:
а - принципиальная схема; б - передаточная характеристика

Схема содержит три каскада: входной (транзистор 171 и резистор
#i); фазорасщепительный (транзистор VT2. резистор /<2, а также узел Г73,
/?з, Ад); выходной (транзисторы И74, VT5, диод VD5, резистор А5).

Диоды VD] - 17)4 (так называемые антизвонные диоды) исключают
возможность появления отрицательных выбросов напряжения на входах
микросхемы при помехах и переходных процессах в соединительных про-
водах, которые подключаются к входам микросхемы.

Узел Г73. Аз, Я* служит для улучшения передаточной характеристи-
ки и повышения помехоустойчивости. При первом рассмотрении он мо-
жет быть представлен как резистор 1 кОм (рис. 9.46).

Рассмотрим работу базового элемента для случаев, когда на вход по-
ступает логический «О» - J7‘’x и логическая «1» - U'M (рис. 9.46).

Работа схемы иллюстрируется указанием напряжений в характерных
точках, что очень полезно для приобретения навыка анализа работы пере-
ключательных схем на транзисторах.

Если на какой-либо вход базового элемента ТТЛ И-НЕ (рис. 9.46, а)
поступает входной сигнал с уровнем логического «О», это вызывает про-
хождение тока по цепи: (7п - резистор R\, переход «база-эмиттер» VT] -
открытый выходной транзистор VT предыдущего логического элемента.

Примем, что на /2-л-переходах кремниевых транзисторов и диодах
падение напряжения составляет 0,7 В, а напряжение на открытом транзи-
сторе составляет 0,2 В.
Рис. 9.46. Базовый элемент ТТЛ И-НЕ:

а - при U ; б - эквивалентная схема выходного каскада

С учетом этого, напряжение на базе транзистора ГЛ относительно об-
щего провода ((7б(гтк)составит 0,9 В (поскольку = 0,2 В и ) = 0,7 В).

Этого напряжения недостаточно для отпирания трех переходов:
база-коллектор» ГЛ и двух последовательно включенных переходов
«база-эмиттер» ГТ2 и Г75, поскольку для этого необходимо напряжение
3 0,7 В = 2,1 В.

Следовательно, транзисторы VT2 и VT5 будут закрыты. При этом эк-
вивалентная схема выходного каскада будет иметь вид, как показано на
рис. 9.46, б. Выходное напряжение будет высокого уровня (уровень логи-
ческой «1») и составит Сивых = 5 - 2 0,7 = 3,6 В, как разность напряжения
питания (+5 В) и падений напряжений на переходах «база-эмиттер» ГТ4 и
диоде VD5.

Рассматриваемый элемент выполняет, таким образом, операцию И-НЕ,
поскольку на входе - низкое напряжение, а на выходе - высокое.

При наличии на всех входах напряжений высокого уровня (С7*Вх) на
выходе будет присутствовать напряжение низкого уровня, соответствую-
щее уровню логического «0» ((Аых) - рис. 9.47.

При закрывании нижнего (по схеме) транзистора VT* предыдущего
логического элемента (рис. 9.46, б) его выходное напряжение (/'вых явля-
ется входным напряжением (7'Вх , что и обеспечивает запирание соответ-
ствующего перехода «база-эмиттер» ГЛ.

При этом проходит ток /| от источника питания l/п через рези-
стор/?!, открытый переход «база-коллектор» ГЛ и два перехода «база-
эмиттер» VT2 и VT5, что обеспечивает открывание этих транзисторов.
Напряжение на базе КП 6'ы составит U^i = 3 • 0.7 = 2,1 В (где 0.7 - паде-
ние напряжения на каждом из указанных переходов). Тогда падение на-
пряжения на резисторе 7?i (4 кОм) составит:

=ип-иы=5-2,1 = 2,9 В,

а ток /1:

2 9

-Н-= 0,725 мА.
4-Ю3

(9.17)

4К |

X /?2

1,6К

+ип

130

2,1В

0,9В

VT1

0.7В

.1’72

VT4

Закрыт

УП

0,9В

^иКэ=0,2В

+0.7В

о вых

0,2 В
УТ5

I Открыт

J <> вых

J 0,2В

—МТ5

+0,7В ।

и' ;

U' вх

а) б)

Рис. 9.47. Базовый элемент ТТЛ И-НЕ:
а - при б - эквивалентная схема выходного каскада

Когда ИТ5 открыт и насыщен, напряжение (7б -э = 0,7 В, а для насы-
щенного транзистора 172 напряжение 6/к-э - 0,2 В, то напряжение на кол-
лекторе УТ2 составит 0,9 В (относительно общей шины) - рис. 9.47, б. Из
этих соотношений становится понятной роль диода 17)5, без которого на
входе транзистора /74 действовало бы напряжение (7б-э = 0,9 - 0,2 = 0,7 В
(где 0,2 В падение напряжения на коллекторе транзистора VT5) и транзи-
стор 17’4 оказался бы открыт. Поскольку для отпирания как эмиттерного
перехода /74, так и диода VD5 требуется по 0.7 В (т. е. в сумме 1,4 В), они
оба оказываются надежно заперты.

Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки

В обычных микросхемах ТТЛ открытые транзисторы находятся в
состоянии насыщения, при котором происходит накопление неосновных
носителей в базовой и коллекторных областях. Это вызывает затягивание
процесса запирания гранзистора из-за необходимости их рассасывания.

Для исключения насыщения транзистора необходимо увеличить
напряжение СГэ в его открытом состоянии. Это достигается подключени-
ем параллельно коллекторному переходу транзистора диода Шоттки
(рис. 9.4Х), для отпирания которого, как известно, необходимо напряже-
ние примерно 0,4 В в отличие от обычного /;-л-перехода с напряжение от-
крывания примерно 0,7 В (как отмечалось ранее).

Рис. 9.48. Обеспечение ненасыщенною режима биполярною зраншстора:

а - распределение напряжений в насыщенном транзисторе;

б - биполярный транзистор с диодами Шоттки

По этой причине, в процессе открывания транзистора, когда потен-
циал коллектора становится ниже потенциала базы, диод Шоттки откры-
вается и на нем устанавливается прямое напряжение 0.4 В, значительно
меньшее, чем напряжение открывания /^-//-перехода «база-коллектор»
транзистора (0.7 В).

Поскольку этот переход остается запертым, режим насыщения не
наступает. Но этой причине при запирании транзистора не требуется рас-
сасывания избыточных зарядов, что значительно увеличивает быстродей-
ствие процесса переключения гранзистора. Это и является основным пре-
имуществом транзисторов с сформированными в едином технологическом
процессе диодами Шоттки (ТТЛШ). Такие транзисторы называют транзи-
сторами с диодами Шоттки или просто транзисторами Шоттки. УГО дио-
дов и транзисторов Шоттки показаны на рис. 9.49.

Рис. 9.49. Условное графическое обозначение
диода (а) и гриода Шоттки (б)

Принципиальная схема базового элемента микросхем серии ТТЛШ
(с транзисторами Шоттки) показана на рис. 9.50.

Желание сочетать высокое бысзродействие с малыми энергозатра-
тами привело к разработке так называемых маломощных микросхем
ТТЛШ, у которых при одинаковом с универсальными элементами ТТЛ
быстродействии потребляемая мощность в пять раз меньше (табл. 9.6).

Рис. 9.50. Принципиальная схема базового
элемента микросхем ТТЛШ

Принципиальная схема базового элемента маломощных ИМС ТТШЛ
дана на рис. 9.51.

Рис. 9.51. Принципиальная схема базового элемента
маломощных микросхем ТТЛШ

В целом она повторяет рассмотренные ранее схемы элементов ТТЛ,
но отличается от них тем, что на входе вместо многоэмиттерного транзи-
стора стоят диоды Шоттки, благодаря чему свободные входы могут непо-
средственно подключаться к шине питания. Допустимые помехи для этих
серий немного меньше ввиду того, что между базой входного транзистора
и землей находятся два р-л-перехода, а не три, как у микросхем ТТЛ дру-
гих серий.

Для снижения потребляемой мощности значительно увеличены но-
миналы резисторов (сравните резисторы на рис. 9.51 и рис. 9.50).

Поскольку маломощные микросхемы с диодами Шоттки потребляют
примерно в пять раз меньшую мощность, то на одном кристалле можно
разместить в пять раз больше транзисторов и других элементов без пре-
вышения норм перегрева.

Снижение мощности рассеяния у маломощных схем ТТЛШ позво-
лило использовать их в БИС.

Маломощные микросхемы ТТЛШ наиболее подходят для использо-
вания в аппаратуре, работающей с высокой производительностью.

Наиболее распространенными сериями ТТЛШ являются серии 530,
К531 и серия пониженной мощности К555. Сравнительные характеристи-
ки отдельных серий микросхем ТТЛШ приведены в табл. 9.6 [99].

Таблица 9.6

Характеристики некоторых серий микросхем ТТЛ

Микросхема 11омср серии Время задержки распрос гранения (на один элемент), нс Мощность потребления (на один элемент), мВт
Универсальная (стандартная) 133, К155 18 10
Быстродействующая 13O.KI31 12 23
Микромошная 134. КР134 66 1
На транзисторах Шоттки 530. К531 6 19
То же, маломощная 533. К555 19 2

Микросхемы с открытым коллектором

Среди выпускаемых микросхем ТТЛ имеются и такие, у которых вы-
ходной каскад представлен только одним гранзистором, коллектор которо-
го подключей непосредственно к одному из выводов корпуса микросхемы.

Такие элементы называют с открытым коллектором (рис. 9.52).

Такой транзистор позволяет управлять значительной внешней на-
грузкой, которая подключается в цепь открытого коллектора и соответ-
ствующего натрузке источника питания. Варианты подключения внешней
нагрузки показаны на рис. 9.53 [92].

Таким образом, микросхемы ТТЛ с открытым коллектором могут
быть использованы для расширения логических возможностей, организа-
ции схем контроля и системных магистралей, работы в схемах индикации
и при сопряжении с внешними устройствами.

Рис. 9.52. Принципиальная схема логическою элемента ТТЛ
с 01 крытым ко л лек юром

Рис. 9.53. Варианты использования ИМС ТТЛ
с открытым коллектором

+5В

Общие рекомендации по применению микросхем ТТЛ

Электрическое питание ИМС ТТЛ осуществляется напряжением
5В ± 5 % (микросхемы общего применения) и 5В ± 10% (специального
назначения). В установленные пределы входил и напряжение пульсаций,
которое не должно превышать 100 мВ. Микросхемы боятся перегрузок:
даже небольшое избыточное напряжение вызывает необратимый пробой.
В аппаратуре с сетевым питанием после выпрямителя обычно ставят ста-
билизатор напряжения с относительно невысоким коэффициентом стаби-
лизации. учитывая допуск по питанию.
Если к аппаратуре не предъявляются особые условия, применяют
микросхемы универсальных серий. Когда требуется малый расход энергии
и устраивает пониженное быстродействие, используют приборы эконо-
мичных серий.

Аппаратура повышенной производительности разрабатывается с вы-
сокоскоростными микросхемами, а также изделиями на транзисторах Шот-
тки. Для высокого быстродействия в сочетании с малым потреблением
энергии следует использовать маломощные серии ТТЛ на транзисторах
Шоттки. В процессе разработки схемы некоторые входы используемых
микросхем могут оказаться свободными. Такие входы следует либо соеди-
нять с работающими, либо к ним надо подводить постоянные напряжения,
соответствующие уровням логического 0 или 1 в зависимости от условий.

На практике с неиспользуемыми входами поступают следующим об-
разом [99]:

• объединяют с используемым с учетом выполняемых данным
входом функций, если это не ведет к превышению нагрузочной
способности предшествующею каскада;

• в тех случаях, когда на неиспользуемом входе должен быть уро-
вень логического 0, указанный вход просто соединяют с обшей
шиной питания;

• для создания уровня логической 1 напряжение на входе должно
находиться в пределах 2,4--3,6 В; непосредственное подключение
входов ТТЛ к проводу питания Un недопустимо из-за большого
входного тока , тогда неиспользуемые входы подсоединяют к
своему источнику питания (Un) через ограничивающий резистор
сопротивлением 1-2 кОм; к этому резистору допускается присо-
единять до 20 входов микросхем ТТЛ серий К155 или 133.

Эмиттерно-связонная транзисторная логика

Кроме ТТЛ, для построения логических ИМС используется и другая
схемотехника, в которой в качестве основы применен переключатель то-
ка-рис. 9.54 [98, 101].

Его иногда называют из-за схемной схожести дифференциальным
усилителем, однако последний работает с аналоговыми входными сигна-
лами, а переключатель тока с дискретными, т. е. имеющими только два
уровня: высокий и низкий.

Другое семейство цифровых ИС в качестве основы использует так
называемый переключатель тока (см. рис. 9.51).

Как видно из рис. 9.54, в схеме переключателя тока эмиттеры тран-
зисторов ИЛ и VT2 соединены между собой и подключены к общему ре-
зистору R..
Рис. 9.54. Схема переключателя тока (л), потенциальные уровни (б),
временные inai раммы (в)

Поскольку переключатель тока с эмиттерно-связанными транзисто-
рами составляет основу схемотехники данного семейства цифровых ИМС,
оно получило название эмиттерно-связанной логики или просто ЭСЛ.

Другой особенностью схемы является подключение коллекторных
резисторов к общему проводу со знаком корпус «-*-». Соответственно
общий эмиттерный резистор Ry, который больше по номиналу резисто-
ров RK, подключен к отрицательному выводу источника питания «-t/n».
Такое подключение питания связано с необходимостью обеспечения по-
вышенной помехоустойчивости. К базе правого (по схеме) транзистора
VT2 подключен источник опорною напряжения fJon, как правило, выпол-
ненный на основе параметрического стабилизатора.

Напряжение Ц1П выбирается примерно средним между верхним О'в
(лог. «1») и нижним Un (лог. «О») уровнями входного сигнала, который
поступает на вход (база ГП) переключателя тока (рис. 9.54. б).

Работа схемы происходит следующим образом. При наличии на вхо-
де сигнала с уровнем лог. «1» транзистор ГП открыт, а транзистор VT2
закрыт (за счет эмиттерной связи и падения напряжения на резисторе А,
по уровню выше {/„и, которое обеспечивает обратное напряжение на пере-
ходе «база-эмиттер» транзистора VT2). На коллекторе открытого транзи-
стора ГП присутствует отрицательное напряжение высокого уровня (уро-
вень лог. «О». На коллекторе закрытого транзистора VT2 напряжение
практически отсутствует, что соответствует уровню лог. «1» (рис. 9.54, в).
Напряжения на коллекторах транзисторов являются выходными сигнала-
ми X и инверсным X и X схемы.

При поступлении на вход сигнала X с уровнем лог. «О» транзистор
ГП закрывается, а транзистор VT2 открывается. Таким образом, происхо-
дит переключение цепи прохождения тока через транзисторы при неиз-
менном его значении (через резистор /?,). С этим и связано название схе-
мы - переключатель тока.
Отличительные особенности переключателя тока:

• использование транзисторов в ненасыщенном режиме, обеспечи-
вающем высокое быстродействие схемы;

• наличие двух выходов (прямого и инверсного);

• постоянный ток, отбираемый от источника питания независимо
от режима работы схемы;

• пониженная по сравнению с инверторами амплитуда выходных
сигналов (за счет наличия эмиттерного резистора R э).

На рис. 9.55 показана типовая схема базового элемента ЭСЛ, кото-
рый выполняет одновременно две логические операции: ИЛИ-HE по вы-
ходу 7 и ИЛИ по выходу 2.

Рис. 9.55. Базовый элемент ЭСЛ

Эти выходы подключены к выходам переключателя тока через эмит-
терные повторители, которые обеспечивают совместимость элементов по
входным и выходным уровням напряжений, а также уменьшают выходное
сопротивление элемента с целью повышения его нагрузочной способно-
сти и уменьшения влияния паразитных емкостей подключаемых к выхо-
дам элементов. На схеме пунктирной линией обведен источник опорного
напряжения.

Базовый элемент ЭСЛ позволяет увеличить число входов за счет
подключения параллельно входным транзисторам (клеммы К и Э) расши-
рителя из нескольких параллельно соединенных транзисторов.

Использование переключателя тока в качестве основы схемотехники
семейства ЭСЛ-схем и эмиттерных повторителей обеспечивает:

• самое высокое быстродействие среди полупроводниковых схем
на основе кремния:

• расширенные логические возможности, обусловленные наличи-
ем двух выходов с прямым и инверсным значением функции,
возможностями монтажных функций и многоуровневых схем;
• постоянство тока потребления от источников основного питания
и отсутствие бросков тока при переключении схемы;

• большую нагрузочную способность и способность схем работать
на низкоомныс согласованные линии связи и на1рузку;

• высокую стабильность динамических параметров в диапазоне
рабочих температур и при изменении питающих напряжений;

• постоянную мощность потребления при повышении частоты ра-
боты.

К недостаткам ЭСЛ можно отнести схемотехническую сложность и
большую мощность рассеяния.

Интегральная инжекционная логика

Развитием схем с непосредственной связью (рис. 9.56, а), но с уче-
том особенностей интегральной технологии, связанной с возможностью
формирования зон определенной проводимости в одном кристалле полу-
проводника, является так называемая интегральная инжекционная логи-
ка - И ИЛ, или короче И2Л [92].

Схема на рис. 9.56, а представляет собой логический элемент ИЛИ-
НЕ с непосредственной связью между БЛО и БУР (см. рис. 9.37).

БЛО реализует операцию ИЛИ за счет параллельного подключения
транзисторов УТ] и VT2, базы которых являются соответственно входами
для сиг налов XI и А2.

Рис. 9.56. Схемотехника инжекционной логики:

а - транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС);

б - типовая схема И2Л

БУР выполняет операцию инвертирования с помощью транзисто-
ра Г73, базовый ток которого определяется резистором (обведены пунк-
тирной линией). Он же является нагрузкой для транзисторов FT1 и VT2.

Основу схемотехники И?Л составляет инвертор (рис. 9.56, б), рабо-
тающий в насыщенном режиме и выполненный на многоколлекторном
транзисторе VT2, с открытыми выходами, что обеспечивает развязку вы-
ходов для исключения их взаимного влияния. Нагрузка для предыдуще-
го каскада, принадлежащая его базовой цепи, выполнена на р-п-р-
транзисторе РТ1, который называется инжектором.

В кружках на схеме инвертора показаны типы проводимостей тран-
зисторов ГП и VT2. Откуда следует, что при формировании такого инвер-
тора в кристалле полупроводника с учетом одинаковой проводимости од-
новременно формируются база ГП и эмиттер Г72. база VT2 и коллектор
КП, кроме того, эта область является входом инвертора для сигнала X.
Вследствие этого такая схема является очень технологичной и занимает
минимальную площадь на кристалле.

Плотность элементов на кристалле И2Л схем в 50 раз выше, чем
ТТЛ-схем.

Напряжение питания И2Л-схем составляет 1,5 В, амплитуда логиче-
ского сигнала ~0.7 В. Благодаря высокоомной нагрузки, реализуемой
/2-/7-/?-транзистором (рис. 9.56, б), мощность рассеяния может быть сниже-
на до 20 мкВт. При задержке инвертора /3д.р=50 нс это обеспечивает И2Л-
схеме работу переключения1 А„ = 0.02x50 = 2 нДж (в 100 раз меньше, чем
у ТТЛ-схем).

Комплексные показатели И2Л схем, особенно при использовании
диодов и транзисторов Шоттки (рис. 9.57), позволяют их применять для
БИС, однако по быстродействию они уступают ТТЛШ и ЭСЛ схемам.

Интегральные схемы с КМОП структурами

В п. 7.3 отмечалось, что для дискретных интегральных схем широко
применяются комплементарные МОП структуры. Это означает, что после-
довательно соединены полевые транзисторы с разным типом проводимости
каналов, выполненные по структуре «металл-окисел-лолупроводник»
(МОП-транзисторы). Поскольку окисел является диэлектриком, такие тран-
зисторы также называют МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупро-
водник).

Принцип работы ключей со структурой КМОП подробно рассмотрен
в п. 7.3 и основан на управлении током канала за счет электрического по-
ля, создаваемого входным напряжением, что обеспечивает высокое вход-
ное сопротивление таких транзисторов и практически отсутствие потреб-
ляемого от источника питания тока в установившихся состояниях.

Важнейшим обобщенным параметром, характеризующим качество базовых элемен-
тов микросхем, является работа переключения элемента Л = РТэ, где Р - потребля-
емая элементом мощность: Тэ - средняя величина задержки переключения элемента.
Очевидно, что чем меньше Л, тем лучше ИМС.
Эти особенности КМОП-структур позволяют создавать логические
элементы и целые функциональные узлы цифровых устройств с малым
потреблением энергии при высокой помехоустойчивости [99]. Сравни-
тельно с биполярными транзисторами они имеют меньшие размеры, что
позволяет разместить на единице площади кристалла большее число эле-
ментов при более простой технологии. В дискретных устройствах исполь-
зуются МОП-транзисторы с индуцированным каналом.

Рис. 9.57. Схема И2Л с диодами и транзистором Шоттки

На основе МОП-структур выполняются многие логические схемы,
где для реализации операции И-НЕ в положительной логике транзисторы с
/7-каналом соединяются последовательно друг с другом, а с р-каналом па-
раллельно, а для операции ИЛИ эти соединения делаются наоборот. Осо-
бенностью логических элементов КМОП является их структура из двух
ярусов транзисторов (верхний и нижний) относительно выходного вывода.

На рис. 9.58 приведена упрощенная принципиальная схема двухвхо-
дового логического элемента И-НЕ на КМОП-транзисторах.

Если на обоих входах XI и XI будут присутствовать сигналы высо-
кого уровня (лог «1»), оба //-канальных транзистора VT3 и И74 будут от-
крыты. а р-канальные ИП и VT2 закрыты. Этому состоянию будет соот-
ветствовать выходное напряжение низкого уровня L/°BbIx (лог «О»).

Если на одном из входов будет присутствовать сигнал (Дых (лог «О»),
это приведет к открыванию соответствующего р-канального транзистора
верхнего яруса и закрыванию соответствующего «-канального транзисто-
ра нижнего яруса. Следствием этого будет появление на выходе сигнала
высокого уровня и'шх (лог «1»).

Аналогично можно рассмотреть работу логического элемента 2ИЛИ-
НЕ, у которого на верхнем ярусе будут два последовательно соединен-
ные //-канальные транзисторы, а на нижнем параллельно соединенные
//-канальные транзисторы.
Рис. 9.58. Принципиальная схема логическою
КМОП элемента 2И-НЕ

В одном корпусе интегральной микросхемы может находиться не-
сколько рассмотренных логических элементов. Реальные принципиальные
схемы сложных в функциональном отношении устройств КМОП содержат
десятки и сотни транзисторов.

При работе с микросхемами КМОП-структуры необходимо соблю-
дать определенные меры предосторожности, о которых отмечалось ранее
(см. пп. 7.3.2). Более подробно о правилах работы с такими микросхема-
ми, их составе и выполняемых функциях можно узнать из справочной ли-
тературы, например [97].

9.5. Цифровые функциональные интегральные микросхемы

Аппаратные цифровые ИМС - микросхемы, в корпусе которых реа-
лизованы целые функциональные устройства цифровой техники: тригге-
ры, счетчики, регистры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобра-
зователи и т. д.

Из-за ограниченного объема учебного пособия не будем описывать
принципы работы и внутренние структуры ИМС данного класса, но рас-
смотрим назначение и выполняемые функции указанных устройств,
систему их условно-1рафических обозначений (УГО), символы функций,
а также основные метки входов и выходов, которые используются в УГО.

Триггеры

Первичным элементом этой группы ИМС является триггер - это
устройства с двумя устойчивыми состояниями. Одно из них считается
единичным, а второе - нулевым. Обычно триггер имеет два выхода - пря-
мой Q и инверсный Q. Состояние триггера определяется сигналом на пря-
мом выходе. Например, если на этом выходе имеется сигнал высокого
уровня (лог «1»), принимают, что зриггср находится в единичном состоя-
нии (в триггер записана 1). В противном случае - триггер находится в ну-
левом состоянии (в триггер записан 0). Триггер имеет также несколько
входов, сигналы на которых и будут вызывать то или иное состояние
триггера [96, 102J.

Другими словами, триггер - элемент памяти, который позволяет за-
поминать информацию в объеме одного бига, т. е. ноль или единица.

Исходным считается нулевое состояние триггера ((9 = 0, Q = 1) и
обозначается как «0». Противоположное состояние триггера ((? = 1, Q = 0)
обозначается как «1». Перечень основных типов триггеров и их функции
приведены в табл. 9.7.

Таблица 9.7

Разновидное! и триггеров

№ п/п Тип триггера Условное обозначение Выполняемая функттия УГО
1 Триггер с раздельным управлением /?5-триггер Одноразовое переключение в состояние «1» по входу S и одноразовое переключение в состояние «0» по входу R — S R т От. 10^.
2 Триггер асинхронный со счетным входом Т-триггер Переключение в противоположное состояние с приходом каждого сигнала на вход Т Т т т
3 Триггер- защелка /Э-триггср Передача на выход Q состояния входа D с приходом синхросигнала на вход С D С т _Q
4 Универсальный триггер ./Л'-трипер Универсальный триггер с элементами дот ики на основных входах J и К J с К. т _Q

Триггеры делятся на асинхронные и синхронные (1 актируемые).
Первые переключаются в противоположное состояние с приходом на вход
соответствующих этим состояниям сигналов. Для переключения вторых
необходимо наличие соответствующих сигналов на входе и специального
синхросигнала на входе «С». Переключение такого триггера происходит
только в момент поступления синхросигнала, что повышает надежность
работы цифровых устройств.
Входные сигналы для переключения триггеров могут быть потенци-
альными: высокий уровень (1) и низкий уровень (0). В другом варианте
переключение григгера происходит в моменты перехода входного сигнала
из 1 в 0 или, наоборот, из 0 в 1. Обозначения условий переключения по
входу на примере Л5 триггера показаны на рис. 9.59.

Рис. 9.59. Варианты управления переключением григгера:
прямым (а) и инверсным (б) потенциальными сигналами; перепадом
импульсно! о сит нала - нуль - единица (&) и единица - нуль (г)

Чтобы не путаться в вариантах «#» и «г», следует иметь в виду изоб-
ражение сигналов на циклограммах (рис. 9.60).

Перепад

«нуль - единица» («)

Перепад
«единица - нуль» (г)

Рис. 9.60. Варианты перепадов импульсного сигнала

Рассмотрим некоторые особенности и примеры применения тригге-
ров из табл. 9.7.

RS-триггер

Такой триггер называют триггером с раздельным управлением, имея
в виду, что он устанавливается в «1» сигналом по входу 5 (англ, set -
установка) и в «0» сигналом по входу R (англ, reset - переключение, воз-
вращение к исходному положению).

Одновременная подача одинаковых сигналов по входам 5 и R не до-
пускается. Это обеспечивается логикой формирования сигналов для вхо-
дов 5 и R.

Другой особенностью такого триггера является одноразовое пере-
ключение в соответствующее состояние «1» или «0» при поступлении не-
скольких сигналов на один из входов (S или R), даже в виде импульсной
последовательности.
Например, первый же сигнал, поступивший на вход 5, установит
триггер в состояние «1», а все остальные сигналы, которые будут посту-
пать на этот же вход, не смогут изменить состояние триггера. Это будет
возможно только при поступлении первого сигнала (если даже их не-
сколько) на вход/?. Только при этом триггер переключится в исходное со-
стояние «О».

Такая особенность /?5-триггера часто используется для борьбы с
«дребезгом», когда сигнал поступает в результате переключения какого-
либо контакта (кнопки, реле, путевого переключателя и т. п.). В таких
случаях возможно появление «дребезга контакта» при переключении кон-
такта из-за отскока и последующего замыкания при переключении кон-
такта из открытою в закрытое состояние - верхний контакт (вп) переклю-
чателя SA 1 (рис. 9.61).

Рис. 9.61. Схема с контактным переключателем 5.41 (а)
и временная диатрамма напряжения на выходе 1 при его переключении
из положения (нп) - в положение (вп) (б)

Из рисунка видно, что при нахождении переключающего контакта в
нижнем положении (нп) на выходе Вых 1 присутствует за счет резистора
R2 высокое напряжение (+5 В). При переводе переключателя в верхнее
положение (вп) на выходе Вых 1 может быть неоднократная смена высо-
кого и низкого напряжений из-за описанного «дребезга». 11онятно, что та-
кой сш нал нельзя подавать на вход счетного устройства, поскольку будет
зафиксировано поступление на вход нескольких ложных сигналов.

Для устранения «неоднозначности» выходного сигнала с контактно-
го переключателя используют /?5-триггер. Схема контактного переключа-
теля и RS-iриггера, выполненного на микросхеме DD\ с элементами
2И-НЕ, показана на рис. 9.62. Следует заметить, что обозначение элемен-
тов DD\.1 и DD\.2 показывает, что эти элементы находятся в одном и том
же корпусе микросхемы DD\.

Для рассмотрения работы схемы необходимо пользоваться таблицей
состояний для логического элемента «И», но принимать за выходной сиг-
нал противоположное значение с учетом выходной операции НЕ (кружок
в УГО элемента) - рис. 9.63.
a)

Вых.1
л

----------------- »

ПН ВЛ ЛП

положение перекидного
контакта переключателя

Вис. 9.62. Схема контакт ною переключателя с ЛУ-триггером (а)
и временная диат рамма напряжения на выходе 1 (г5)

Вход 1 Вход 2 & ( Выход И-НЕ Г Вх 1 Вх 2 Вых И Вых И-НЕ
0 0 0 1
1 0 0 1
0 1 0 1
1 1 1 0

а) б)

Рис. 9.63. Схема контактного переключателя с /СУ-триггером (н)
и временная диа>рамма напряжения на выходе 1 (0)

Исходным состоянием схемы будем считать состояние, когда пере-
ключатель SА1 находится в положении «нп». Это состояние для RS-
триггера обозначим как «О» (Q = О, Q = 1). Действительно для элемента
И-НЕ (DD\.2) на входах присутствуют два сигнала лог «О», чему соответ-
ствует его выходной сигнал Q = 1. а соответственно Q = 0.

Переключение среднего контакта SA1 в положение «вп» будет со-
провождаться «дребезгом», однако первое же касание средним контактом
верхнего контакта приведет к наличию на входах элемента DD1 комбина-
ции сигналов «0-1», что в соответствии с таблицей состояний (рис. 9.63, б)
вызовет появление на выходе I сигнала (7=1. Последний поступает на
один из входов 27271.2, на другом входе которого, уже присутствует сиг-
нал «1» (за счет резистора /?>). Наличие на входе этого элемента двух лог
«1», приводит к появлению на его выходе сигнала Q = 0 и соответствую-
щего сигнала на входе /7271.1, на другом входе которого уже присутствует
сигнал «О» (переключатель в положении «вп»), обеспечивает присутствие
на выходе элемента DD\ сигнала Q = 1.

Из рассмотрения этого процесса видно, что, если на входе с резисто-
ром Rz элемента DD\. 1 будет сменяться сигнал с «О» на «1» (вследствие
«дребезга»), это не может изменить состояние Q = 1 элемента DD\. 1.

Изменение выходного сигнала элемента DDIA на исходное (9 = 0
возможно только при переводе переключателя 5141 в положение «ни».
Причем замыкание среднего и нижнего контактов переключателя также
будет сопровождаться «дребезгом», однако это не повлияет на четкое из-
менение выходного сигнала триггера с «1» на «0» (рис. 9.62, б).

Г-григгер

В табл. 9.7 на УГО Г-григгера показан только основной вход Т, ко-
торый называется счетным, однако могут быть и другие входы, например
5, R и тактовый вход (вход синхронизации).

Особенностью такого триггера является его переключение из исход-
ного («0») состояния в противоположное («1») с приходом каждого сигнала
на вход Т. Как отмечалось ранее, исходным состоянием считается такое,
при котором Q = 0. Q = 1. Работа Г-григгера иллюстрируется рис. 9.64.

Вход
щ. л

«)

Рис. 9.64. УГО Т-триггера (а) и временные диаграммы ею работы (б)

Переключение триггера происходит по заднему спаду входного им-
пульса. При поступлении очередного импульса на вход Г-григгера проис-
ходит его переход из одного состояния в противоположное (по заднему
фронту входного импульса).

При этом период импульсов Т2 на выходе Q триггера оказывается в
два раза больше, чем период входных импульсов Т1, т. е. Т-триггер делит
г 1 z 1 /,
частоту входных импульсов Л = — на 2, поскольку: /2 = — = У .

1. 1 /X» | / II
Это свойство Т-триггера позволяет строить на их основе двоичные
счетчики. 11оэтому они и называются счетными.

Разновидностью Г-триггера является триггер с тактовым входом, ко-
гда его переключение происходит по одному из перепадов синхроимпуль-
сов, если на входе Т присутствует разрешающий сигнал Т = 1. При Т = О
срабатывание триггера от перепада синхроимпульса запрещается.

D-триггер

/5-триггер (иначе триггер задержки, оз английского delay - задержка)
имеет два входа: информационный D и синхронизации С. При наличии
сигнала С триггер устанавливается в состояние, соответствующее сигналу
на входе D («О» или «1»). Синхронизация (тактирование) /5-триггера мо-
жет осуществляться импульсом, перепадом импульса или потенциалом.
В тактируемом перепадом импульса /5-триггере изменение сигнала на
входе /5 повторяется на выходе Q с задержкой на один период тактовых
импульсов (отсюда и название - триггер задержки).

УГО /5-триггера, тактируемого по переднему перепаду (фронту),
и временные диаграммы его сигналов показаны на рис. 9.65.

Рис. 9.65. УГО D-триггера, тактируемого по переднему
фронту (а), и временные диаграммы ею работы (о)

Очень часто тактируемый /5-трнггер используют для реализации
счетного триггера. С этой целью выход Q /5-триггера соединяют с его
входом /5. Тогда выход Q будет с задержкой повторять состояние выхо-
да £7, сигнал с которого будет присутствовать на входе /5. При этом пере-
ключение триггера происходит с приходом каждого тактового импульса.
Схема счетного триггера на основе /5-триггера и его временные диаграм-
мы показаны на рис. 9.66.
Рис. 9.66. Схема включения D-триггера для счетного режима (а)
и временные диаграммы его работы (о)

JK-триггер

Данный триггер относится к универсальным триггерам, поскольку
на его основе могут быть выполнены описанные ранее триггеры (RS, D, Г)-
Его название связано с наличием двух входов J и К, с дополнительными
выводами для реализации совместно по каждому из них функции «И», что
используется для обеспечения универсальности такого триггера.

Выводы J и К, подобно AS-триггеру, служат для установки триггера в
состояния «1» или «О», однако, в отличие от AS-триггера, одновременное
присутствие на этих входах единичных сигналов (J = К = 1) приводит к пе-
реходу триггера в противоположное состояние. Таким образом. JX-триггер
будет работать как Г-триггер. ./Х-триггсры тактируются перепадом потен-
циала на входе С. Находят применение JX-триггеры, которые переключа-
ются под воздействием перепадов по указанным входам.

Триггеры часто выполняют по двухступенчатой сгрукгуре, что поз-
воляет в одном и том же такте производить считывание информации и за-
пись новой. Пример схемы AS-триггера, построенного но двухступенчатой
схеме приведен на рис. 9.67 вместе с УГО, где в основном поле указыва-
ются две буквы ТТ. Особенностью схемы является наличие двух тригге-
ров, соответственно первой и второй ступеней, которые тактируются пря-
мым С и инверсным С сигналами.

Если на входе С присутствует «1», то входная информация принима-
ется в триггер первой ступени. В это время передача сигнала с первой
ступени на вторую невозможна, поскольку на входы её схем управления
2И-НЕ поступает «О» с выхода инвертора цепи тактовых сигналов.

После смены входного сигнала С (с «1» на «О»), схемы управления
2И-ПЕ на входе первой ступени оказываются закрытыми, а на входе в го-
рой ступени - открытыми, что и позволяет передать сигнал состояния
триггера первой ступени на триггер второй ступени.

Рис. 9.67. Схема двухступенчатого синхронною
RS-т рш гера (а) и его УГО (6)

Добавление на входах R и 5 рассмотренного /?5-триггера схем 2И,
на которые поступают сигналы с выходов Q и (Л а также входные сигна-
лы J и К. как показано на рис. 9.68 обеспечивают реализацию УК-триггера
с двухступенчатой структурой.

Рис. 9.68. Реализация JA'-триггера на основе двухступенчатого
синхронного RS-iрш гера (а) и ею УГО (б)

Особенностью такого JK-трштсра является универсальность. Напри-
мер, если объединить входы J и К, то получим Г-триггер (у которого эти
объединенные входы можно обозначить как Г). Если же на вход J подать
сигнал D, а на вход К си] нал 2), то получим D-тригтер.

Добавление на входах J и К других входов, которые вместе реализу-
ют функцию «II», ещё больше повышает универсальность JK-триггера.
Универсальные УК-триггеры очень удобны для построения различных ло-
гических узлов, как с синхронной, так и с асинхронной передачей сигна-
лов. В качестве примера на рис. 9.69 приведено УГО УК-триггера ИМС
К155ТВ1 [971.

На УГО видно, что кроме тактируемых входов J и К, у данного триг-
гера имеются и нетактируемые входы 5 и 7?, которые позволяют принуди-
тельно поставить триггер в требуемое состояние.

Кроме того, наличие трех входов J и К, объединенных операцией
«И» (J = JcJyJy) и (К = K\ KrKi) упрощает построение более сложных
цифровых устройств, в частности, счетчиков.

Рис. 9.69. УГО JK-триггера ИМС К155ТВ1

Регистры

Регистр - функциональное устройство, служащее для запоминания
информации, представленной в виде набора нулей и единиц, в частности,
двоичного кода.

В регистрах может производиться определенное преобразование
хранимой информации - например, в виде сдвига.

В отличие от запоминающих устройств в регистрах хранится ин-
формация в относительно небольших объемах. Они используются для
кратковременного хранения промежуточных результатов в процессе обра-
ботки информации. Основой для построения регистров являются тригге-
ры, количество которых определяет разрядность регистра. Буквенное
функциональное обозначение регистров - RG.

По способу ввода и вывода информации регистры разделяют на па-
раллельные (регистры памяти), последовательные (регистры сдвига) и па-
раллельно-последовательные (102].
Регистры памяти состоят из однотипных ячеек, основой которых яв-
ляется триггер, дополненный элементами «И» на входе и выходе, выпол-
няющими функции ключей для обеспечения записи в триггер вводимой
информации (по сигналу «ЗАПИСЬ») и вывода информации (по сигналу
«ЧТЕНИЕ»). Как правило, ячейки регистра памяти между собой не связа-
ны. Однако для сброса, при необходимости, хранимой информации на
входы «/?» всех триггеров подается сигнал «СБРОС».

В регистрах сдвига число вводится и выводится в последовательном
коде разряд за разрядом с приходом каждого тактового импульса.

Сдвиг может производиться влево или вправо.

В параллельно-последовательных регистрах ввод чисел может осу-
ществляться в последовательном коде, а вывод в параллельном или
наоборот.

Последовательный ввод - это значит, что число ггостуггает разряд за
разрядом на один ввод устройства. Последовательный вывод - когда чис-
ло выводится разряд за разрядом с выхода последнего триггера устройства.

Параллельный ввод - когда все разряды числа одновременно посту-
пают на соот ветствующие входы триггеров регистра.

Параллельный вывод - когда число считывается одновременно со
всех выходов триггеров регистра.

Сочетание этих вариантов дает возможность преобразования после-
довательно кода в параллельный или наоборот, что часто используется
при передаче информации по каналам связи между средствами вычисли-
тельной техники (интерфейсы Л5-232, AS-485).

Для примера на рис. 9.70 приведено УГО восьмиразрядного двуна-
правленного регистра сдвига с последовательной и параллельной записью
информации-К155ИР13 [97, 102].

В соответствии с табл. 9.2 (см. п. 6) функциональное назначение ИМС,
относящихся к регистрам, указывается буквами ИР,

Дтя последовательной записи имеются два входа D (ггри сдвиге
вправо) и 1) (при сдвиге влево). Управляющие инверсные входы И и 1С2
служаг для выбора режима работы. Инверсный вход R используется для
установки всех триггеров регистра в исходное состояние (на всех выходах
устанавливаются уровни «0»).

Для параллельной записи используются входа 771 - D8. Для считы-
вания информации служат восемь выходов 1-8. Следует отметить, что ча-
сто в справочной литературе на УГО цифровых ИМС обозначение входов
и выходов может быть от 0 до 7 (например, для входов и выходов DQ-D7
или 0-7).

Сигналы на входах микросхемы К155ИР13 для различных режимов
работы показаны в табл. 9.8.
Рис. 9.70. У ГО восьмиразрядного синхронно! о регистра
сдвига ИМС К155ИР13

Таблица 9.8

Состояние входных сигналов для различных режимов работы
микросхемы К155ИР13

Режим работы VI V2 R D" D с
Установка в «0» X X 0 X X X
Сдвиг вправо 0 1 1 0/1 0 _г
Сдвиг влево 1 0 1 0 0/1 j L
Параллельная запись 1 1 1 0 0 j [
Хранение 0 0 1 0 X X 0 X

Счетчики

Счетчик - функциональное устройство, служащее для счета им-
пульсов, поступающих на его вход. Буквенное функциональное обозначе-
ние - СТ. Основой для построения счетчиков являются триггеры со счет-
ным входом, включаемые последовательно друг с другом, каждый из ко-
торых будет соответствовать весу двоичного разряда, а их выходы
являются выходами счетчика.
Счетчики бываю! двоичные (СТ2), десятичные (декадные, СТЮ),
реверсивные. Основным параметром счетчика является коэффициент пе-
ресчета (коэффициент деления) У = 2", где п - количество разрядов (триг-
геров) счетчика. Это справедливо для двоичного счетчика.

Коэффициент пересчета десятичного счетчика равен N = 10, что до-
стигается при наличии четырех последовательно включенных триггеров,
но с использованием принципа обратной связи. С приходом восьмого
входного импульса происходит переключение в структуре счетчика, за
счет чего счетчик приходит в исходное (нулевое) состояние с поступлени-
ем на его вход десятого импульса.

Имеются счетчики с произвольным коэффициентом пересчета.

Выходами счетчика являются прямые выходы триггеров, входящие
в его состав. В некоторых счетчиках могут быть выводы и от инверсных
выходов триггеров. Выходная информация счетчика представляет собой
кодовую комбинацию, которую образуют сигналы в виде «1» и «0» на
всех выходах счетчика.

Счетчики могут быть на сложение и реверсивные. Первые обеспечи-
вают получение выходной кодовой комбинации, соответствующей сумме
поступивших импульсов на вход счетчика.

Реверсивные счетчики способны работать как на сложение, поступа-
ющих на вход импульсов, так и на вычитание. Поэтому такие счетчики ча-
сто применяют в качестве узла сравнения в устройствах числового про-
граммного управления (УЧПУ) перемещением рабочего органа (например,
стола станка). В этом случае импульсы от программы поступают на вход
сложения, а импульсы от датчика перемещения рабочего органа поступают
на вход вычитания счетчика. Перемещение рабочего органа прекращается,
когда на вход вычитания поступит от датчика перемещения число импуль-
сов, равное числу импульсов программы, поступивших на вход сложения.

По способу переключения триггеров во время счета импульсов счет-
чики подразделяют на асинхронные и синхронные. В первых - переход
триггеров из одного состояния в противоположное происходит сразу же
после поступления соответствующего сигнала на его вход, но последова-
тельно во времени (от триггера к триггеру). Это связано с тем, что после-
дующий триггер будет переключаться по выходному сигналу предыдуще-
го триггера.

В синхронных счетчиках триггеры переключаются только с прихо-
дом тактирующих сигналов.

Важным параметром счетчиков является их быстродействие, которое
оценивается по максимальной возможной частоте поступающих на его
вход импульсов.

В качестве примера рассмотрим асинхронный нереверсивный счет-
чик (микросхема К155ИЕ2) и синхронные реверсивные счетчики (микро-
схемы К155ИЕ6 и К155ИЕ7) [102]. В обозначениях микросхем счетчиков
присутствуют буквы ИЕ, определяющие их функциональное назначение
согласно табл. 9.2 (см. п. 6).

Счетчик микросхемы К155ИЕ2 (рис. 9.71) состоит из двух частей:
отдельный триггер с входом С1 и счетчик с коэффициентом пересчета 5
с входом С2. Если соединить выход первого триггера с входом С2 второ-
го, образуется десятичный счетчик с коэффициентом пересчета 10 и вы-
ходами с двоичными весами 1,2. 4. 8.

Изменение состояния счетчика происходят по заднему перепаду
входного сигнала. Для установки счетчика в исходное состояние имеются
два входа /?0, объединенные логической операцией И. Также организова-
ны входы /?9 (для объединения несколько декад десятичного счетчика).

Рис. 9.71. УГО счетчика К155ИЕ2

Счетчики микросхем К155ИЕ6 и К155ИЕ7 представляют собой че-
тырехразрядные реверсивные двоично-десятичный счетчик (ИЕ6) и дво-
ичный счетчик (ИЕ7).

Они имеют одинаковое УГО (рис. 9.72), но разные коэффициенты
пересчета: 10 (ИЕ6) и 16 (ИЕ7). Поэтому в основном поле их УГО может
быть обозначено СТЮ (для ИЕ6) и СТ2 (для ИЕ7).

При последовательной записи и прямом счете входные импульсы
подают на вход «+1», а при обратном счете на вход «-1».

Для параллельной записи входных сигналов, поступивших на входы
D1-D8, должны быть поданы на входы Си R сигналы с уровнями «0». При
этом выходные сигналы 1-8 появляются в соответствии с сигналами на
входах D1 -£)8 независимо от сигналов на счетных входах (±1).

Для увеличения коэффициентов пересчета счетчики могуг быть со-
единяться последовательно. Для этой цели служат выходы прямого Р' и
обратного Р переноса.

Па выходе Р' появляется импульс отрицательной полярности при
переполнении счетчика (числа 9 для ИЕ6) и (числа15 для ИЕ7), при усло-
вии. что сигнал на входе +1 имеет уровень «0».
Рис. 9.72. УГО счетчиков
К155ИЕ6 и К155ИЕ7

На выходе Р импульс отрицательной полярности формируется при
появлении на всех выходах разрядов счетчика «О», при условии, что сиг-
нал на входе —1 имеет уровень «О».

Более подробно со структурами и работой других счетчиков можно
познакомиться в [68].

Микросхемы памяти

Необходимость в устройствах памяти возникла сразу же с разработкой
счетно-вычислительных устройств и особенно электронно-вычислительных
машин (ЭВМ).

Первые устройства запоминания двоичных чисел представляли со-
бой громоздкие устройства с ферритовыми сердечниками (кольцами), где
использовалось их свойство, как угодно долго находиться в одном из двух
состояний: намагниченном или размагниченном. Представление о таком
запоминающем устройст ве дает рис. 9.73.

Их изготовление отличалось высокой трудоемкостью, что связано с
необходимостью выполнения на этих сердечниках проволочных обмоток,
для создания магнитного поля. Такое запоминающее устройство (ЗУ) от-
личалось большими габаритами и относительно небольшим объемом за-
поминаемой информации (несколько сотен бит), что сильно ограничивало
возможности вычислительного устройства. Для запоминания и хранения
больших объемов информации использовались громоздкие накопители с
магнитной лентой.

В этой связи развитию устройств памяти придавалось исключитель-
но большое значение, но задача получила решение только с изобретением
транзисторов, отработкой технологии их производства, особенно с изоб-
ретением интегральных микросхем, которые, следует отметить, прежде
всего, были использованы для создания устройств памяти, поскольку их
структура отличается регулярностью и необходимостью выполнения
большого количества однотипных элементов памяти.

Появление в 1971 г. первого микропроцессора (МП) стало возмож-
ным благодаря тому, что уже было освоено производство ИМС памяти.
Известно, что МП, как универсальное устройство для обработки цифровой
информации, выполняет её по заранее введенной в память программе, в
виде последовательности команд. Память необходима и для хранения ис-
ходных данных и промежуточных результатов их обработки,

Рис. 9.73. Внешний вид ПЗУ на магнитных сердечниках

Понять роль памяти можно на примере структурной схемы ЭВМ,
показанной на рис. 9.74 [103. 104J. Как видно из рисунка, программа и
данные первоначально поступают в устройство ввода, где они преобразу-
ются в цифровую форму в виде кодовых комбинаций 0 и 1, а далее запи-
сываются в память вычислительного устройства (ЭВМ).

Память ЭВМ, как правило, состоит из двух видов запоминающих
устройств - оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).

ОЗУ предназначено для хранения программы и данных, а также для
записи, хранения и считывания по мере надобности (т. е. произвольно)
информации, которая получается в результате обработки по программе
исходных данных.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в про-
цессе выполнения программ. Это стандартные подпрограммы, табличные
данные, константы и постоянные коэффициенты и т. п. Такая информация
заносится в ПЗУ предварительно и не меняется в последующем.
ЭВМ (микроЭВМ)

Поэтому ПЗУ может работать только в режиме хранения и выдачи
(считывания) информации. Отмеченные функции и различие в них
наглядно показаны на рис. 9.75.

Основу микросхем ОЗУ составляет массив элементов памяти (ЭП),
объединенных в матрицу накопителя. ЭП способен хранить один бит
(О или 1) информации.

Для доступа к ЭП ему присваивается адрес, код которого поступает
на соответствующие выводы микросхемы.

Разрядность кода адреса определяет количество ЭП, которые можно
выбирать, т. е. информационную емкость накопителя N = 2", где п - число
двоичных разрядов кода адреса.

Например, при числе адресных входов п = 10, можно обращаться к
N = 2"' = 1024 ЭН, т. е. информационная емкость такого накопителя соста-
вит 1024 биг.

Для краткости в вычислительной технике число 1024 принято
обозначать буквой К (кило), которое не надо путать с единицей веса -
кило = 1000 грамм).

Для ввода и вывода информации служат соответствующие вход и
выход микросхемы памяти. Для управления режимом работы микросхемы
на запись (ЗП) или считывания (СЧ) служит отдельный вывод. При нали-
чии на нем сигнала «1» включен режим ЗП, при «0» - СЧ.

Накопитель с возможностью обращения к отдельному ЭП называет-
ся одноразрядным. Однако применяется и многоразрядная организация
накопителя, когда используется ячейка памяти ЯП из нескольких ЭП. Та-
кая организация накопителя называется словарной, поскольку многораз-
рядный код принято называть словом.
Элемент памяти (ЭП)

Ячейка памяти (ЯП)

Рис. 9.75. Упрощенные структуры и режимы paooibi ОЗУ («) и ПЗУ ((5)

Понятно, что у микросхем с такой организацией число входов и вы-
ходов должно соответствовать разрядности вводимых и выводимых чисел.

Микросхемы ОЗУ по типу выполнения ЭН разделяют на статические
и динамические. Первые из них представляют собой триггеры на бипо-
лярных или МОП транзисторах.

В динамических МС ЭП выполнены на основе электрических кон-
денсаторов, сформированных внутри полупроводникового кристалла. Из-
за возможного разряда конденсатора такие ЭП нуждаются в периодиче-
ском восстановлении (регенерации) записанной информации. Из-за мень-
ших размеров таких ЭП по сравнению со статическими, динамические
ОЗУ отличаются большей информационной емкостью.

Однако они сложнее в применении из-за необходимости принуди-
тельной периодической регенерации и отличаются более сложным
устройством управления.

Микросхемы ПЗУ (рис. 9.75, б) построены также на принципе мат-
ричной структуры накопителя, состоящего из ячеек памяти, каждая из ко-
торых имеет свой адрес. Общее количество адресуемых ячеек памяти N
определяется числом разрядности адресного кода n: N = 2". Если каждая
ЯП состоит из m ЭП, то общая информационная емкость накопителя со-
ставит 2"‘т бит.

Особенностью выполнения ПЗУ является наличие перемычек (в виде
проводников, диодов, транзисторов) в перекрестиях шин строк и столбцов
в накопителе (рис. 9.76). Наличие перемычки соответствует 1, а отсут-
ствие - 0.

В исходном состоянии все перемычки целые и, следовательно, во
всех ЭП ячеек присутствуют «1». Запись информации заключается в пе-
режигании перемычек, в местах нахождения нулей. С этой целью ис-
пользуются специальные программаторы, а процедура программирова-
ния может выполняться пользователем вручную или автоматически от
компьютера.

Перемычки

Рис. 9.76. У прощенный вид структуры П1У

Другой способ программирования ПЗУ применяется при их изготов-
лении, когда формирование перемычек осуществляется через маску на за-
ключительной стадии изготовления микросхемы ПЗУ. Такие микросхемы
ПЗУ называют масочными (ПЗУМ).

Рассмотренные ПЗУ являются однократнопрограммируемыми. Вме-
сте с тем, имеются микросхемы ПЗУ, которые можно программировать
многократно (сотни и тысячи циклов). Это так называемые перепрограм-
мируемые (репрограммируемыс) ПЗУ (РПЗУ).

Элементом памяти РПЗУ является МДП транзистор, у которого про-
граммирование заключается в сообщении конденсатору, образованному
между затвором и каналом (разделенных диэлектриком) заряда, который и
определяет состояние открытого транзистора. Такой заряд может сохра-
няться длительное время (тысячи часов). Исходное состояние транзистора
без заряда - закрытое.

Для стирания записанной информации необходимо убрать этот за-
ряд. Эта процедура может быть выполнена с использованием электриче-
ского сигнала (РПЗУ-ЭС) или ультрафиолетовым светом (РПЗУ-УФ). ко-
торым облучают полупроводниковый кристалл через специальное окно в
крышке корпуса микросхемы.

Такие РПЗУ сохраняют информацию длительное время без источни-
ка питания, т. е. являются энергонезависимыми. Подробнее эти вопросы
рассмотрены в [105].

Далее представлена классификация (рис. 9.77) и примеры микросхем
памяти [103]. Там же указаны отечественные и международные обозначе-
ния микросхем памяти (ГОСТ 2.743-82), которые применяют на УГО.

Функциональное назначение ИМС памяти обозначают двумя буква-
ми (см. табл. 9.2).
Рис. 9.77. Классификация интегральных микросхем памяти

В начале обозначения ИМС могут присутствовать буквы, которые
расшифровываются следующим образом:

К - общетехнического (широкого) применения;

Э - экспортное исполнение;

Р - пластмассовый корпус типа 2;

М - керамический, металло- или стеклокерамический корпус типа 2;

Е - металлополимерный корпус типа 2;

Л - пластмассовый корпус типа 4;

И - стеклокерамический корпус типа 4;

Н - керамический кристаллодержагель;

Б - бескорпусное исполнение.

В конце обозначения может быть дополнительная буква (Л, Б, В
и т. д.), определяющая разделение микросхем по одному из функциональ-
ных параметров: быстродействие, потребляемый ток и т. п.

Различие между корпусами типа 2 и 4 касается выполнения их выво-
дов (рис. 9.78).

Обозначение микросхем памяти можно рассмотреть на следующих
примерах:

• КР565РУ6Б - микросхема обще технического применения в пласт-
массовом корпусе, полупроводниковая, серия 565, ОЗУ, разра-
ботка 6, типономинал Б;
• КМ1609РР11 - микросхема общетехнического применения в ме-
таллокерамическом корпусе, полупроводниковая, серия 1609,
репрограммируемое ПЗУ со стиранием электрическим сигналом,
разработка 11;

• К573РФ6Л - микросхема общетехнического применения, полу-
проводниковая. серия 573, РПЗУ со стиранием ультрафиолето-
вым светом, разработка 6, типономинал Л.

Примеры УГО микросхем ОЗУ показаны на рис. 9.79, а ПЗУ на
рис. 9.80 и рис. 9.81. В табл. 9.10 представлены обозначения сигналов
(выводов) микросхем памяти.

1х П 1ь 15 14 13 12 I I 1о

Ключ

12 34567 89

Корпус типа 2

Рис. 9.78. Корпуса ИМС типа 2 и 4

Рис. 9.79. У ГО микросхем ОЗУ7:

а - статического с одноразрядной организацией 256х 1 бит;
б - статического со словарной организацией 2048x8 бит;
в - динамического с одноразрядной организацией 16384x1 бит

Рис. 9.80. УГО ПЗУМ (я) и ППЗУ (б)

Таблица 9.9

Обозначения сигналов (выводов) микросхем намял и

Наименование сигнала Обозначение
международное отечественное
Адрес А а
Тактовый сигнал С Т
Строб адреса столбца CAS CAS
С троб адреса строки RAS RAS
Выбор микросхемы CS ВМ
Разрешение СЕ Р
Окончание табл. 9.9

Наименование сигнала Обозначение
международное отечественное
Запись WR ЗП
Считывание RD СЧ
Запись-считывание W/R ЗП/СЧ
Разрешение записи WE —
Разрешение по выходу (считывания) ОЕ —
Данные (информация) D —
Входные данные DI Ubx. II
Выходные данные DO Ublix. и
Ларес, данные: вход-выход ADIO —
Данные: вход-выход DIO Ubx. 11 UbmX. и
Регенерация REF РЕГ
Программирование PR IIP
Стирание ER —
Напряжение питания Ucc Uno
Напряжение программирования U PR Unp
Общий вывод микросхемы OV Общ

В УГО микросхем в поле выходных выводов могут использоваться и
дополнительные знаки со следующими значениями:

- выход на три состояния;

- выход с открытым эмиттером ОЭ («-/>-л-транзистор);

- выход с открытым коллектором ОК (//-//-«-транзистор,
МДП транзистор с /7-каналом и с открытым стоком ОС).

Структура микросхемы статическою ОЗУ со словарной организаци-
ей показана на рис. 9.82.

Основным узлом этой структуры является накопитель элементов па-
мяти 128x128, который составлен из восьми секций по 128х 16 ЭП в каж-
дой. Четыре младшие разряды кода адреса Ао-А* с помощью дешифратора
выбирают по одному столбцу (из 16) в каждой секции и соединяют' их с
двунаправленным устройством ввода/вывода УВВ. Управление этим
устройством для работы в требуемом режиме (записи, хранения и считы-
вания) осуществляют сигналы CS, ОЕ и W /R. Другие разряды адреса
(А4- Аю) позволяют через дешифратор адреса строк выбирать требуемую
ячейку памяти.

В режиме записи информация в виде восьмиразрядною кода через
УВВ и усилители записи/считывания поступает в выбранную ячейку па-
мяти. При считывании информация из адресуемой ячейки поступает в
УВВ и далее на выходы микросхемы. С учетом двунаправленности они
обозначены DlOtrDlOi.

ОЕ

W/R

А,
As
Аг,
А,
Ан
Ач
А,,,

А<1 Ai А? Аз

Рис. 9.82. Структура микросхемы статического ОЗУ
со словарной opi анизацией

Сигнал разрешения выхода ОЕ позволяет в режиме считывания за-
прещать вывод информации из данной микросхемы, когда выходы не-
скольких микросхем подключены параллельно к общей шине. При ОЕ = 1
входыУвыходы принимают третье (высокоомное) состояние, при котором
информация на выходах отсутствует. По разрешающему сигналу ОЕ = О
на входе устройства управления другой микросхемы, разрешается вывод
информации с неё на объединенную шину. Таким образом, можно значи-
тельно увеличивать общую информационную емкость ОЗУ. В режиме
хранения потребляемая от источника питания энергия снижается в не-
сколько раз. В качестве примера на рис. 9.83 приведено УГО микросхемы
КР537РУ8 с рассмотренной структурой.

Следует обратить внимание на знаков поле выводов, что свидетель-
ствует о гом, что эти выходы имеют три состояния. Кроме того, объеди-
ненное обозначение DIO свидетельствует о двунаправленном вводе/
выводе (если только ввод - DI, если только вывод - DO).

8 А.,

RAM
16К

Рис. 9.83. УГО микросхемы КР537РУ8

В нижней части УГО выводы 24 (5В) и 12 (0V) изображены со зна-
ком «х». Так обозначают выводы, которые не являются информационны-
ми (в данном случае это выводы для подключения питания).

Далее рассмотрим кратко особенности УГО микросхем ПЗУ. Как
отмечалось ранее, они представлены тремя группами:

• однократно программируемые изготовителем (с помощью фото-
шаблона-маски) - (ПЗУМ. ROM)',

• однократно программируемые пользователем путем пережига-
ния плавких перемычек на кристалле (ППЗУ, PROM);

• многократно программируемые пользователем, репрограммиру-
емые ПЗУ (РПЗУ. EPROM).

Все микросхемы ПЗУ являются многоразрядными (со словарной ор-
1 анизацией). Основной их режим - считывание.

Все они энергонезависимые.

Примером УГО микросхемы масочного ПЗУ может служить микро-
схема КР161 ОРЕ 1 (рис. 9.84).

Программирование микросхем ПЗУМ производят однократно, после
чего она обладает свойством энергонезависимости. По этой причине
ПЗУМ широко применяют в качестве носителей постоянных подпро-
грамм. кодов физических констант и т. п. Занесенную в ПЗУМ информа-
цию в технической документации называют «.прошивкой».
Рис. 9.84. УГО микросхемы КР1610РЕ1
масочно! о ПЗУ

Что можно узнать по УГО микросхемы КР161 ОРЕ 1 (рис. 9.84)? В ос-
новном поле стоит обозначение ROM, значит, микросхема является ПЗУ,
далее указана общая информационная емкость 16К. С учетом восьми вы-
ходных выводов понятно, что ячейки памяти данной микросхемы вось-
миразрядные. Знак 0 показывает, что выходы микросхемы могут иметь
три состояния. Общее количество таких ячеек в микросхеме определится
делением общей информационной емкости микросхемы (16К) на число
разрядов одной ячейки памяти (8). Таким образом, определим, что в дан-
ной микросхеме содержится 2К восьмиразрядных ячеек. Дтя адресации
такого количества ячеек требуется 11 разрядов кода адреса (211=2048).
Действительно, в поле входных сигналов для адреса А имеются 11 выво-
дов (Ао-Аш). Обозначения выводов в нижней части УГО уже рассматри-
вались. На этом примере можно пояснить понятие организация микро-
схемы памяти. Для общей информационной емкости 16К бит (для рас-
смотренного примера) могут быть такие варианты: 16К одноразрядных
ЭП (16x1); 2К восьмиразрядных ячеек памяти (2К><8); 4К четырехразряд-
ных ячеек памяти (4К*4). В скобках показано, как указывается реальная
организация конкретной микросхемы по разрядности ячеек памяти и их
количеству в справочной литературе.

Другим видом ПЗУ являются такие ПЗУ, которые может програм-
мировать пользователь. Но только один раз. Такие ПЗУ, однократно про-
граммируемые пользователем путем пережигания плавких перемычек на
кристалле, называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ. PROM). После
программирования с помощью программатора, такое ППЗУ будет рабо-
тать аналогично масочному ПЗУ - ПЗУМ. Простым примером такой мик-
росхемы может служить микросхема К155РЕЗ (рис. 9.85) с обшей инфор-
мационной емкостью 256 бш и с организацией 32x8. В общем поле УГО
данной микросхемы видно обозначение PROM (программируемое ПЗУ) с
обшей емкостью 256 бит. Всего имеется восемь выходных выводов, что
показывает количество разрядов каждой ячейки памяти.

Выходы микросхемы выполнены с открытым коллектором (знак Л).
Это означает, что такие выходы требуют подключения к ним внешних ре-
зисторов и источника питания

Поскольку количество ячеек памяти равно 32 (256/8 = 32), для их ад-
ресации достаточно пятиразрядного кода адреса (Ац-Ад), что соответству-
ет количеству выводов для адреса у данной микросхемы.

Рис. 9.85. УГО микросхемы К155РЕЗ (ППЗУ)

Перепрограммируемые ПЗУ

Основная особенность nepenpoi раммируемых ПЗУ (РПЗУ) заключа-
ется в их способности к многократному (от 100 до 10 000) nepenpoipaM-
мированию самим пользователем. Все РПЗУ разделяют на две группы:
с управлением электрическим сигналом (запись и стирание) - РПЗУ-ЭС и
с записью электрическим сигналом, а стиранием за счет облучения уль-
трафиолетовым светом (РПЗУ-УФ) [106].

Как уже отмечалось, в качестве элементов памяти в таких микросхе-
мах используются МДП транзисторы с индуцированным каналом. Запись
«1» сводится к иодаче на затвор импульса напряжения положительной по-
лярности с амплитудой 30-40 В, что приводит к образованию заряда элек-
тронов в подзатворном пространстве.

При этом снижается пороговое напряжение и смещается влево
(рис. 9.86) передаточная характеристика транзистора. Такое состояние со-
ответствует логической единице и может сохраняться длительное время
(режим хранения).

Логическому нулю соответствует состояние транзистора без заряда
электронов в подзатворном просзранстве. Если была записана лог. 1, то
для её стирания необходимо подать на затвор импульс отрицательного
напряжения (30—40 В). При этом электроны заряда смещаются в подлож-
ку. Отсутствие заряда приводит к смещению передаточной характеристи-
ки в область высоких пороговых напряжений.

Рис. 9.86. Передаточные характеристики МДП
транзистора с зарядом (лог. 1) и без заряда (лог. 0)
в подзагворном просгрансгве

Режим вытеснения заряда из подзатворного пространства (ИЗ) назы-
вают режимом стирания. На рис. 9.87 для сравнения показаны УГО
РПЗУ-ЭС (а) и РПЗУ-УФ (б).

В микросхемах памяти с УФ стиранием электроны рассасываются с
ПЗ в подложку в результате усиления теплового движения за счет получен-
ной энергии от источника УФ излучения. В режиме хранения обеспечива-
ют отсутствие напряжений на электродах ЭП с тем, чтобы исключить рас-
сасывание заряда. На практ ике время сохранения заряда, т. е. сохранения
записанной информации, измеряется от нескольких тысяч часов до не-
скольких лет. Поэтому такие микросхемы относят к труппе энергонезави-
симых. Отличие между микросхемами групп ЭС и УФ состоит в способе
реализации режима стирания. На их УГО (рис. 9.87) присутствуют сигналы
выбора микросхемы CS и программирования PR. На УГО РПЗУ-ЭС, кроме
того, присутствуют сигналы считывания RD и стирания ER, поскольку эти
оггерации выполняются с электрическим управлением. Остальные знаки
уже знакомые по рассмотрению предыдущих видов микросхем. По обозна-
чениям видно, что микросхема КР1601РРЗ имеет организацию 2К><8,
а микросхема К573РФ1 - 1Кх8.
67) б)

Рис. 9.87. УГО РПЗУ-ЭС КР1601РРЗ (я)
и PI1 jy-У Ф К573РФ1 (0)

В табл. 9.10 приведены примеры микросхем полупроводниковых ЗУ
по рассмотренным видам (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ. РПЗУ) и их электрические
характеристики.

Таблица 9.10

Микросхемы полупроводниковых ЗУ и их характерисшки

Тип микросхемы Емкость, бит Организация Время выборки, ИС Потребляемая мощность. Вт Напряжение питания, В Схемо- технологиче- ский принцип
1 2 3 4 5 6 7
ОЗУ
КР132РУ6А 16К 16КХ] 75 0.5 5 пМОП
КМ132РУ8А 4К 1Кх4 60 0,9 5 пМОП
К155РУ7 1К 1Кх1 60 0,8 5 ТТЛ
КР537РУЗА 4К 4Кх| 320 0.16 5 КМОП
КР537РУ8А 16К 2Кх8 220 0,2 5 КМОП
К500РУ415А 1К 1Кх| 20 0,7 -5.2 эсл
К500РУ470 4К 4Кх1 35 093 -5,2 эсл
КР541РУ1А 4К 4Кх| 120 0,45 5 иил
КР541РУ2 4К 1Кх4 120 0.5 5 пил
КР541РУЗ 16К 16К*1 150 0.57 5 иил
КР541РУ31 8К 8Кх1 150 0,52 5 иил
К565РУ5Б 64К 64Кх 1 230 0,25 5 пМОП
Окончание табл. 9.10

1 2 3 4 5 6 7
ПЗУ
К596РЕ1 64К 8Кх8 350 0,8 5 ТТЛ
КА596РЕ2 1М 64КХ16 450 1.1 5 ТТЛ
КР568РЕЗ 128К 1бКх8 800 0,3 5 пМОП
К555РЕ4 I6K 2Кх8 100 6,45 5 ТТЛШ
ППЗУ
К541РТ1 1К 256x4 80 0,4 5 и пл
КР556РТ5 4К 512x8 80 1,0 5 ТТЛШ
КР556РТ15 8К 2Кх4 60 6,74 5 ТТЛШ
КР556РТ16 64К 8Кх8 85 1,0 5 ТТЛШ
КР556РТ18 16К 2Кх8 60 0,95 5 ТТЛШ
РП ЗУ
К573РФЗ 64К 4Кх16 450 0,45 5 пМОП
К573РФ4 64К 8Кх8 500 0.7 5.12 пМОП
К573РФ6А 64К 8Кх8 300 0,87 5,12 пМОП

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые
преобразователи

Для перехода от аналоговой величины к цифровой и наоборот слу-
жат аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (рис. 9.88) служат для
преобразования аналогового (непрерывно изменяющегося) сигнала в циф-
ровую форму. Цена единицы младшего разряда выходного кода определя-
ется по формуле:

At7=Ux(maX)/M (9.18)

где At/' - единица младшего разряда выходного кода,

Цвх(тах) - максимальное значение входного аналогового напряжения,

Л’ - количество дискрет, на которое разбивается максимальная вели
чина входного напряжения,

А’ = 2", где п - число разрядов выходного кода АЦП.

Выходной код //-разрядов
(выходная величина
в цифровой форме)

Рис. 9.88. Условное изображение АЦП
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦЛП) служат для преобразо-
вания сигнала цифровой формы в аналоговую форму, т. е. выполняют об-
ратное по сравнению с АЦП преобразование (рис. 9.89).

' > Входная величина * (в цифровой форме J • - /7-разрядов) * < ► ЦАП Выходная величина (в аналоговой форме)

Рис. 9.89. Условное изображение ЦАП

Для ЦАП справедлива формула (9.18), где вместо t/BX(maX), надо под-
ставить О'вых(пшх), тогда:

At/=Ub.x(max)/M (9.19)

1 де N = 2", здесь п - число разрядов входного кода;

АС/ - дискрета выходной аналоговой величины, соответствующая
единице младшего разряда входного кода.

Для примера покажем связь входной величины в цифровой двоичной
форме (4 разряда) с выходной аналоговой величиной (табл. 9.11), при
N = 24 = 16, и At/ =0,1 В. Из табл. 9.11 видно, что выходная аналоговая
величина реально соответствует десятичному эквиваленту входного дво-
ичного кода.

Таблица 9.11

Связь входной величины в цифровой форме
с выходной аналоговой

Входной двоичный код Десятичный эквивалент Выходное напряжение, (В)
0000 0 0
0001 1 0,1
0010 2 0,2
ООН 3 0,3
0100 4 0,4
010) 5 0.5
ОНО 6 0,6
0111 7 0,7
1000 8 0,8
1001 9 0,9
1010 10 1,0
1011 11 1.1
1100 12 1,2
1101 13 1,3
1110 14 1,4
1111 15 1,5
Поэтому при изменении входного кода по какому-либо закону
(например, линейному) выходная величина будет изменяться ступенчато,
с величиной ступеньки равной напряжению, соответствующему единице
младшего разряда входного кода (рис. 9.90).

Рис. 9.90. Зависимость выходного напряжения
при изменении входною кода

Принципы работы АЦП и ЦАП подробно описаны в [102]. В спра-
вочнике [97] приведены сведения по ИМС АЦП и ЦАП.

Практические вопросы применения ИМС в системах управления
станками рассмотрены в работе [107].

Правила начертания и примеры УГО аппаратных цифровых ИМС,
а также таблицы обозначений выполняемых функций, метки входов и вы-
ходов для этих элементов приведены в [108, 109].

9.6. Микропроцессорные интегральные микросхемы

Микропроцессорные ИМС относятся к наиболее сложным ИМС и
предназначены для реализации различных микропроцессорных устройств.
Название этих ИМС связано с тем, что основой ИМС подобных устройств
является микропроцессор (МП), который появился на свет в 1971 г., когда
фирма Intel выпустила четырехразрядный МП с количеством внутренних
транзисторов 2300.

МП - программно-управляемое универсальное устройство для циф-
ровой обработки информации в соответствии с программой, записанной
в ИМС памяти.

Именно с появлением МП стало возможным создание бытового
(персонального) компьютера и широкое применение вычислительной
(микропроцессорной) техники для целей промышленной автоматики.

МП стали широко применяться в измерительной технике (цифровые
штангенциркули, цифровые осциллографы и т. д.).
Здесь следует отметить применение в промышленности микропро-
цессорных устройств числового программного управления (УЧПУ) стан-
ками и другим технологическим оборудованием.

В частности, для примера можно назвать УЧПУ 2С42, которое было
выполнено на основе ЭВМ «Элекгроника-бОМ» и нашло широкое приме-
нение для управления различными станками.

Появление микропроцессорных УЧПУ с возможностью выполнения
сложных вычислительных алгоритмов и обладающих большой памятью
на всю программу обработки детали (иногда и несколько программ) поз-
волило перейти к новому, наиболее высокому уровню автоматизации про-
изводства - комплексной автоматизации.

При этом автоматизацией охватывается различное технологическое
оборудование (заготовительное, транспортирующее, обрабатывающее,
упаковочное и складское), подключенное по каналам связи к центрально-
му управляющему пункту, где хранятся программы управления этим обо-
рудованием, и имеет возможность быстрого перехода (перенастройки)
всего этого оборудования на обработку новой номенклатуры деталей
(гибкая автоматизация).

Микропроцессорные ИМС обычно выпускают в виде наборов, на ба-
зе которых можно выполнять законченные устройства управления или об-
работки данных. В состав набора входят различные ИМС: микропроцес-
сор, память (оперативная и постоянная), микросхемы для связи с внешни-
ми устройствами (порты) и т. д.

Основной ИМС набора, безусловно, является сам микропроцессор.

Для знакомства с МП обычно приводят структурную схему МП
КР5Х0ВМ80А, который является аналогом известного МП 8080Л, разра-
ботанного фирмой «Интел» (США) [96, 97, 110].

Структурная схема КР580ВМ80А (МП 8080Л) приведена на рис. 9.91,
условное обозначение - на рис. 9.92. Микропроцессор содержит шестна-
дцатиразрядную, трехстабильную шину адреса, и восьмиразрядную дву-
направленную трехстабильную шину данных. Устройство управления
имеет четыре входные линии (READY, INT, HOLD, RESET), шесть выход-
ных линий (HLDA, INTE, WAIT, WR, DBIN, SYNC). Тактирование микро-
процессора осуществляется двумя сигналами Cl, С2. Эти сигналы посту-
пают от внешнего генератора тактирования, и они образуют машинные
такты. Па основе машинных тактов микропроцессор формирует машин-
ные циклы.

В левой части структурной схемы показан операционный блок МП,
в который входят: арифметико-логическое устройство АЛУ, регистр при-
знаков, десятичный корректор, регистр-аккумулятор и регистр-защелка
аккумулятора.
WR DBIN INTE INT HI.DA HOLD WAIT READY STOC Cl C2 RESET Шина адреса

Рис. 9.91. Структурная схема КР580ВМ80А (МП8080А)
10 9 DO DI CPU AO Al 25 26
8 D2 A2 27
7 D3 A3 29
3 D4 A4 30
4 D5 A5 31
5 D6 A6 32

о 33
D7 A7 A8 A9 ТГ
23 READY 35 ]
13 HOLD A10
All 40
14 1NT
37
A12
22 Cl A13 38
15 A14 39
C2 Al 5 36
12 RESET HLDA 21
WAIT 24
20 Uccl 16
>8 INTE
Ucc2 17
II DBIN
— Uio WR 18
19
SYNC
GND 2

Рис. 9.92. УГО и назначение выводов
ИМС КР580ВМ80А

АЛУ выполняет простейшие арифметические и логические операции
над восьмиразрядными числами (сложение, вычитание, сравнение, логи-
ческое умножение и т. д.). К одному из входов АЛУ всегда подключен ак-
кумулятор, к другому - регистр временного хранения. В регистре призна-
ков фиксируется (в виде состояния 1 или 0) результат выполнения каждой
операции (знак числа, переполнения и т. д.). Десятичный корректор слу-
жит для обеспечения возможности обработки двоично-десятичных чисел.

Двунаправленная шина данных соединена через буферный регистр
данных с внутренней шиной данных (восемь разрядов). Для выполнения
каких-либо операций по командам программы служит регистр команд и
дешифратор. Поступающие команды программы после дешифрации по-
ступают в устройство управления УУ, которое организует их выполнение
в операционном блоке. Через УУ организуется взаимосвязь с другими
устройствами, которые входят в микропроцессорную систему.

В правой части схемы расположен блок регистров, которые выпол-
няют функции сверхоперативной памяти.

Регистры И' и Z являкпся регисзрами временного хранения (ещё
один такой регистр указывался в операционной части, подключенный к
АЛУ). Остальные регистры, как пары Z? и С, D и Е, И и I, являются реги-
страми общего назначения (РОН). Они могут объединяться парами для
хранения слов двойной длины.

Указатель стека УС используется для работы со стеком. Стек пред-
ставляет собой группу последовательно пронумерованных регистров или
ячеек памяти. В стеке реализуется принцип обслуживания «последний
пришел - первый ушел» (подобно стопке тарелок). Адрес ячейки памяти,
которая в каждый момент является вершиной стека, хранится в УС.

Счетчик команд организует последовательность выполнения команд
программы. С этой целью, а также для управления регистром адреса, ис-
пользуется инкрсмснтатор/декрсментатор (увеличение или уменьшение на
единицу).

УГО и назначение выводов (распиновка - от англ, pin - вывод, кон-
такт, штырек) ИМС КР580ВМ80А приведены на рис. 9.92, а в табл. 9.12
даны буквенные обозначения и назначение выводов [111, 112, 113].

Технические характеристики МП КР580ВМ80А

• Тактовая частота: 2,5 МГц.

• Быстродействие: 500 000 он/с (сложение).

• Разрядность регистров: 8 бит.

• Разрядность шины данных: 8 бит.

• Разрядность шины адреса: 16 бит.

• Объём адресуемой памяти: 64 кбайт.

• Количество транзисторов: 4500.

• Требуемые источники питания: +5 В. -5 В, 4- ] 2 В.

• Корпус: 40-контактный керамический DIP.

• Поддерживаемые команды - 80:

- команды передачи данных - 16:

- команды для обработки данных -31:

- команды перехода - 28:

- команды управления - 5.

Рассмотренный МП является одним из первых, который нашел ши-
рокое применение. Его прототип МП 8080А был выпущен фирмой «Intel»
(США) в 1974 г. Как указано в технических характеристиках, в его кри-
сталле сформировано 4500 транзисторов.
Таблица 9.12

Назначение выводов МП КР580ВМ80А

Вывод Обозначение Вход/ Выход Назначение вывода
1 2 3 4
1, 25-27, 29-40 АЮ, А0-А2, АЗ- А9, А15, А12-А14, АН Выход Канал адреса
2 GND — Общий
3-10 D0--D7 Входы/ Выходы Канал данных
11 Сю Напряжение смешения -5 В
12 RESET Вход Установка в исходное состояние
13 HOLD Вход Захват
14 INT Вход Запрос прерывания
15,22 С2, Cl Входы Тактовые сигналы
16 INTE Выход Разрешение прерывания
17 DW1N Выход Прием информации (управление шиной данных)
18 WR Выход Выдача информации «Запись»
19 SYNC Выход Сигнал синхронизации
20 CqcI Напряжение питания +5 В
21 HLDA Выход Подтверждение захвата
23 READY Вход Сигнал «Готовность»
24 WAIT Выход Сигнал «Ожидание»
28 Ccc2 Напряжение питания 42 В

Современные МП отличаются высокой сложностью и насчитывают в
своем составе уже несколько миллиардов транзисторов.

Для реализации микропроцессорной системы, кроме МП, требуются
и другие компоненты, такие как память и устройства ввода/вывода.

Упрощенная структурная схема микропроцессорной системы пока-
зана на рис. 9.93 [96]. Для повышения нагрузочной способности МП
используются внешние буферы: шины данных БШД, шины управления
БШУ, шины адреса БША.

Указанные три вида шин образуют внешнюю магистраль. Конструк-
тивно шины выполняются в виде набора проводов или печатных провод-
ников, соединяющих выводы БИС МП и контакты разъемов, к которым
подключаются модули МП-системы. Число проводников шин зависит от
разрядности МП и объема адресуемой памяти.

На рис. 9.93 МП представлен упрощенно в виде операционного бло-
ка ОБ. блока регистров БР с отдельно выделенным регистром адреса РА,
и устройства управления У У. Важнейшую роль в МП-системе выполняют
запоминающие устройства в виде ПЗУ и ОЗУ.
Рис. 9.93. Структурная схема микропроцессорной системы

Как отмечалось ранее, эти устройства отличаются большим разнооб-
разием вариантов исполнения. Ввод и вывод информации в МП-системе
осуществляется, как правило, с помощью специальных БИС, с которыми
можно познакомиться в [96, 97, 111, 112].

При использовании МП-системы для управления каким-либо обору-
дованием важную роль играют устройства ввода'вывода, которые в этом
случае называют устройствами сопряжения с объектом (УСО). Эти устрой-
ства обеспечивают формирование и передачу управляющих сигналов на
объект и прием сигналов от объекта.

В состав УСО, входят, как правило, АЦП и ЦАП. а также элементы
гальванической развязки (ГР), выполненные на оптронах [114].

Для практического ознакомления с микропроцессорной техникой
можно рекомендовать изучение и работу с микроконтроллерами Arduino и
AVR[115, 116, 117].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии рассмотрены электронные элементы, которые
широко применяют в современной промышленной автоматике. Несмотря
на исключительно важную роль, которую играют программируемые сред-
ства, следует понимать, что без рассмотренных в пособии элементов не
обходится ни одно электронное устройство. В этой связи знание принци-
пов работы и основных особенностей этих элементов дает специалисту по
промышленной автоматике возможность правильно их использовать в
процессе проектирования новых устройств или разобраться в работе
устройства, с которым приходится иметь дело на практике. А это, в свою
очередь, обеспечивает правильную эксплуатацию устройств, их обслужи-
вание, ремонт и восстановление.

Для перечисленных ранее действий со сложными электронными
устройствами необходимо уметь читать и рисовать различные схемы,
в первую очередь, структурные, функциональные и в особенности - прин-
ципиальные. Этому способствует чтение специальной литературы, опыт
работы со схемами и практические навыки наладки различных электрон-
ных устройств.

В настоящее время широко применяются разнообразные пакеты
программ для автоматизации проектирования различных электронных
устройств. Изложенный в учебном пособии материал окажет большую
помощь в работе с такими программами и обеспечит правильное задание
режимов работы проектируемых устройств, а т акже даст возможность по-
нимать и оценивать получаемые при проектировании результаты.

Авторы надеются, что данное издание окажется полезным как сту-
дентам, так и специалистам в области промышленной электроники и ав-
томатики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федотов. Я, А. Основы физики полупроводниковых приборов / А. А. Федотов. -
2-е изд. испр. и доп. - М.: Изд-во «Советское радио», 1969. - 592 с.

2. Микроэлектроника: учеб, пособие для втузов: в 9 кн. / под ред. Л. А. Коледова
Кн. 1. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники /
О. В. Митрофанов, Б. М. Симонов. Л. А. Коледов. - М.: Высш, шк., 1987. - 168 с.

3. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство: [пер с
нем.] / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 1982. - 512 с.

4. https://elektro7naiok.ru/info/elektronika/rezistor.

5. ГОСТ 28884-90 (МЭК 63-63) Ряды предпочтительных значений для резисторов
и конденсаторов. - М., 1990.

6. ГОСТ 28883-90 (МЭК 62-74) Коды для маркировки резисторов и конденсато-
ров. - М., 1990.

7. https://www.joyta.ru/7951 -smd-rezistory-markirovka-smd-rezislorov-kalkulyator/?
ysclid=m48cayuohc50022095.

8. https://eandc.ru/techinfo/rezisiorl .pdf.

9. https://elektroznatok.ru/info/clektronika/peremennyj-rezistor. Переменный резистор:
назначение, устройство, виды, проверка мультиметром.

10. https://go-radio.ru/peremennie-rezistory.html Какие бывают переменные резисто-
ры?

11. Марченко, А. Н. Переменные резисторы / А. Н. Марченко. - М.: Энергия, 1980. -
72 с. - (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1017).

12. Резисторы: справочник / К). 11 Андреев. А. И. Антонян, Д. М. Иванов [и др.];
под ред. И. И. Четверткова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 352 с.

13. В помощь радиолюбителю: сборник / сост. И. Н. Алексеева. - М.: Патриот, Вып.
109. 1991,-80 с.

14. https://sesaga.ru/rezistor-nelinejnye-re7istory.html.

15. Гендин, Г. С. Всё о резисторах: справочник / Г. С. Гендин.-М.: Изд-во: Горячая
линия-Телеком. Сер. Массовая радиобиблиотека. 1999 г. Вып. 1239.

16. Бондаренко, И. Ь. Электрорадиоэлементы. Часть 1. Резисторы / И. Б. Бондарен-
ко. - СПб.: СПб НИУ ПТМ0. 2012. - 108 с.

17. Шмаков, С. Б. Энциклопедия радиолюбителя. Современная элементная база /
С. Б. Шмаков. - СПб.: Изд-во: Наука и техника, 2012.

18. https://yandex.ru 'images/search?tcxt=TpeyrojibHHK °/o20oMa&stype=image&lr=47&so
urce=wiz. Треугольник Ома.

19. ГОСТ Р 57437-2017. Конденсаторы. Термины и определения- М., 2017.

20. Чертов, А. I'. Физические величины (терминология, определения, обозначения,
размерности, единицы): справ., пособие / А. Г. Чертов - М.. Высш, шк., 1990. -
335 с.

21 ГОСТ 2.728-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения
условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы. - М., 1974.

22. Г орячева, Г. А. Конденсаторы: справочник / Г. А. Горячева, Е. Р. Добромыслов. -
М.: Радио и связь, 1984. - 88 с. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1079).
23. http://e]ectrik.info?main/school/l 106-polyamye-i-nepolyamye-kondensatory-v-chem-
ollichie.himl Андрей Повный. Полярные и неполярные конденсаторы - в чем от-
личие.

24. h1tps://dzen,ru/a'XvuoXP4RUxy0qKa9. Афанасий Скобелевский. Ионистор. Су-
перконденсатор.

25. https://www.ultracapacitor.ru/stati/ionistori/ Устройство, применение, виды.

26. go-radio.ru/ionistor html. Ионистор. Что такое и зачем нужен?.

27. https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/ionistor-chto-eto-takoe-i-gde-ego-primenyajTit.html.

11орошии Андрей. Ионистор: чго это такое и где его применяют.

28. https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/ionistor/?ysclid=
m4grv4g3d2124716357. Ионистор. Устройство и применение. Работа. Авго-
пусковое ус тройство.

29. https://dzen.ni/a/W-8kia6SsACp-bHm.

30. https://www.ultracapaciior.ru/catalog/'superkondensatory-feniks/?ysclid=m4sohfvszh
306464486.

31 https://go-radio.ru/varicap.html. Варикап. Обозначение, параметры и применение
варикапа.

32. Диоды и тиристоры / Чернышев А. А., Иванов В И., Галахов В. Д. и др.; Пол
общ. ред. А. А. Чернышева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энер1ия, 1980. - 176 с.,
ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1005).

33. Вербицкая Т. Н. Вариконды. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.

34. Вариконды в электронных импульсных схемах. Под ред. В. К"). Булыбенко. Изд-
во «Советское радио», 1971 г.

35. https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/1101 /ИНДУКТИВНОСТЬ.

36. ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквен-
ные обозначения параметров. - М., 1982.

37. https://chipinfo.pro/elements/diodes/ruszenerdiode.shtml Параметры отечественных
стабилитронов.

38. Синичкин, С. Г. Программируемые контроллеры и их применение для модер-
низации систем управления технологическим оборудованием: учеб, пособие /
С. Г. Синичкин; НГТУ нм. Р. Е. Алексеева. Н. Новгород, 2008. - 211 с.

39 Васерин, И. Н. Применение полупроводниковых индикаторов / Н. Н. Васерин,
Н. К, Даренко, Г. А. Прокофьев. - М.: Энергоатом-издат, 1991

40. https://svetosmotr.ru/tehnicheskie-harakteristiki-svetodiodov.

41. Иванов. В. И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник /
В. И. Иванов, А. И, Аксенов, А. М. Юшин, - 2-с изд., перераб. и доп. - М.; Энер-
гоатомиздат, 1988. - 448 с.

42. Королев. Г. В. Электронные устройства автоматики: учеб, пособие / Г. В. Коро-
лев.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш, шк,- 1991.-256 с.

43. Кремниевые фотодиоды. Справочный листок. Радио № 2. 1998 г.

44. Аксененко, М. Д. Кремниевые фотодиоды: справочник / М. Д. Аксененко. - М.:
Радио и связь, 1987.

45. Современные кремниевые фотодиоды. Справочный листок. Радио № 2. 2002 г.

46. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические
и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров
и определения характеристик.
47 Чернов, Е. А. Электроприводы подач станков с ЧПУ: справочное пособие /
Е. Л. Чернов. В. И. Кузьмин, С. Г. Синичкин. - Горький: Волго-Вятское кн. изд-во,
1986.-271 с.

48. Степаненко, И. II. Основы микроэлектроники: учеб, пособие для вузов /
И. II. Степаненко. - М.: Сов. Радио. 1980. - 424 с.

49. ГОСТ 21934-83 Приемники излучения полупроводниковые, фотоэлектрические
и фотоприемные устройства. Термины и определения. - М., 1983.

50. Б. Сергеев. Радио, № 8.1993 г.

51. http://www.joyta.ru/7143-dinistor-db3-xarakteristiki-proverka/ - DB3 двухсторонний
динистор.

52. Справочник по параметрам тиристоров, http://www.radio-koinplckt.ru/coniponeni
ref.php?param=thyristors&page= 1.

53. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры Справочник/ Г. С. Най-
велы, К. Б. Мазсль. Ч. И. Хусаинов и др.; Под ред. Г. С. Найвельга, - М.: Радио
и связь, 1985. - 576 с., ил.

54. Евсеев, К). А. Симисторы и их применение в бытовой электро-аппаратуре /
К). Л. Евсеев. С.С. Крылов. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 120 с.

55. https://powercoup.by/radioelektronika/svetodiod. Светодиод. История возникнове-
ния и развития, Свечение Лосева.

56. https://ru.wiklpedla.org/wiki'Пpeдcкaзaнныe_Meндeлeeвым_элeмeнты.

57. https://ru.wikipedia.org/wi ki/Зонная плавка.

58 https://ru.wikipedia.org/wiki/H3o6peTCHiie_TpaH3HCTopa.

59. Ицхоки, Я. С. Импульсные и цифровые устройства / Я. С. Ицхоки, II. И. Овчин-
ников. - М.: Советское радио, 1973. - 592 с.

60 Фишер. Дж. Э. Электроника - от теории к практике: [пер. с англ.] / Дж. Э. Фи-
шер, X. Б. Гетланд. - М.: Энергия, 1980. - 400 с. (Массовая радиобиблиотека;
Вып. 1023).

61. https://cxem.net/sprav/spra\ 105 php

62. Полупроводниковые приборы: Транзисторы: справочник.' В. Л. Аронов, Л. В. Баю-
ков, А. А. Зайцев [и др.]; под обш. ред. И. Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат,
1982.-904 с.

63. http://radiomaster.ru/articles/view/566/.

64. Игнатов А. Н. Полевые транзисторы и их применение. - 2-е изд., перераб. и доп. -
М.: Радио и связь. 1984. - 216 с., ил.

65 Бочаров. JI. Н. Полевые транзисторы / Л. II. Бочаров. - 2-изд., перераб. и доп. -
М.: Радио и связь, 1984. - 80 с. (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1075).

66 https://go-radio.ru/polevoi-transistor-oboznachcnic.htinl.

67. Слепченков, М. Н. Основы информационной электроники: курс лекций /
М. Н. Слепченков; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2003.

68. Шило, В. Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник / В. Л. Шило. -
М. Радио и связь. 1987. - 352 с. (Массовая радиобиблиотека. Вып. I 111).

69. Фомин, Н. Н. Современные полупроводниковые приборы / Н. Н. Фомин. Ю. Н. Ко-
ролев. - М.: ЗНАНИЕ, 1969. - 80 с.

70. Маслаев, В. Занимательные эксперименты if Радио. 1993. № 2.

71. Вальков, А. Полевые транзисторы КП 102 / А. Вальков [и др.]. // Радио. 1970. № 6.

72. https://ru.ruwikLru/wiki/BnnojMpHbUi_TpaH3HCTOp с изолированным затвором.

73 https://dzen.ru/a/XpiWUtaAsiw-K4ir.
74. http://www.chipinfo.ni/literature/compeljoumaV2010/201001 /p7.html Илья Фурман,
Евгений Звонарев (КОМПЭЛ), Частотные преобразователи (инверторы) компа-
нии Omron. Журнал «Новости Электроники», номер 1, 2010 год.

75. Носов. К). Р. Оптроны и их применение / Ю. Р. Носов., А. С. Сидоров - М.: Ра-
дио и связь, 1981. - 280 с.

76. https://siblec.ru/telekommunikat.sii/vvedenie-v-optoelektroniku/2-optrony-i-optoelektronnye-
mikroskhemy.

77 ГОСТ 2.730-73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Обо-
значения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые (с Из-
менениями, № 1 -4). - М., 1973.

78. https://eandc.ru/inlo/ncws/rasshifrovka uslovnogo oboznacheniya i kodovaya inarki
rovka_poluprovodnikovykh priborov/.

79. ГОСТ 27299-87 Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, опре-
деления и буквенные обозначения параметров. - М., 1973.

80. https://emkelektron.webnode.page/news/intjegralnyje-mikroskhjemy-klassifikatsija-
naznaehjenije-/.

81. https://electroinfo.net/poluprovodniki/vidy-i-ustrqjstvo-optronov-opiopar.html.

82. httpsV/yandex.ru/turbo/s/elektrikexpert.ru/tverdotelnoe-rele.html.

83. https://yandex.ru turbo/s/meanders.ru/chto-takoe-tverdotelnoe-rele-cgo-shemy-upravlenie-
i-podkljuchenie.shtml

84. https://ru.wikipedia.org/wiki/Изобретение интегральной схемы.

85. https://ru.wikipedia.org/wikiМнтегральнаясхема.

86. ГОСТ Р 57435-2017 Микросхемы интегральные. Термины и определения. - М.,
2017.

87. http://euroclectrica.ru/vidyi-integralnyih-mikroshem/' Виды интегральных микросхем.

88. htips://emkelcktron. webnode.com/news/intjegralnyje-mikroskhjemy-klassifikatsija-
naznaehjenije-/.

89 https://www.svetozarcom.ru/ info/symbols of domestic microcircuits/

90. Забродин, К). С. Промышленная электроника: учебник для вузов / К). С. Забро-
дин. - М.: Высш, школа, 1982 г. - 496 с.

91. Аналоговые интегральные микросхемы справочник / Б. П. Кудряшов. К). В. На-
заров, Б. В. Тарабрин, В. А. Ушибышев. -М.: Радио и связь, 1981. - 160 с.

92. Схемотехника ЭВМ: учебник для студентов вузов спец. ЭВМ / под. ред.
Г. Н. Соловьева. - М.: Высш, шк., 1985. - 391 с.

93. Алексенко, А. Г. Применение прецизионных аналоговых ИС / А. Г. Алексенко,
Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

94. Интегральные операционные усилители и основные схемы их включения: метод,
разработка к лабор. работе № 6 по схемотехнике аналоговых электронных
устройств/сост.: В. Н. Ногин, Л. В. Когтсва; НГТУ. Н. Новгород, 2005. - 23 с.

95. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексенко, Е. А. Ко-
ломбет, Г. И. Стародуб. - 2-е изд., псрераб. и доп. - М.: Радио и связь. 1985. -
256 с.

96. Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах /
В. С. Гутников. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоаюмиздат. Ленинградское
отделение, 1988. - 304 с.

97. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник / С. В. Якубов-
ский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова [и др.]; Под ред. С. В Якубовского. -
М.: Радио и связь, 1989. - 496 с.
98. Агаханян, Т. М Интегральные микросхемы: учеб, пособие для вузов /
Т. М. Агаханян. - М.: Энергоатомиздат. 1983. -464 с.

99. Зельдин, Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-
измерительной аппаратуре / Е. А. Зельдин. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-
нис. 1986. - 280 с.

100. Преснухин, Л. II. Расчет элементов цифровых устройств: учеб, пособие/
Л. Н. Преснухин, Н. В. Воробьев, А. А. Шишкевич; под ред. Л. Н. Преснухина. -
2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш, шк., 1991. - 526 с.

101. Микросхемы и их применение: справ, пособие / В. А. Батушев, В. Н. Вениами-
нов, В. Г. Ковалев, О. Н. Лебедев, А. И. Мирошниченко. - 2-е изд., перераб. и
доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 272 с.

102. Микроэлектронные устройства автоматики: учеб, пособие для вузов / А. А. Са-
зонов. А. Ю. Лукичев, В. Т. Николаев [и др.]; под ред. А. А. Сазонова. - М:
Энергоатомиздат, 1991.- 384 с.

103. Лебедев, О. Н. Микросхемы памяти и их применение / О. И. Лебедев. - М.: Ра-
дио и связь. 1990. - 160 с. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1152).

104. Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение/ В. П. Андреев,
В В. Баранов, Н. В. Бекин и др.; Под ред. А. Ю. Гордонова. - М.: Радио и связь,
1981.-344 с., ил.

105. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств: справочник / В. В. Баранов,
Н. В. Бекин. А. Ю. Гордонов [и др.]: под ред. А. Ю. Гордонова и Ю. Н. Дьякова. -
М.: Радио и связь, 1986. - 360 с.

106. Косарев, К). А. Электрически изменяемые ПЗУ / К). А. Косарев, С. В. Виногра-
дов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 80 с. (Б-ка по автоматике.
Вып. 651).

107. Микроэлектронные устройства в системах управления станками / под ред.
С. Г. Синичкина. - М.: Машиностроение, 1983. - 120 с. (Электроавтоматика
станков).

108. Синичкин, С. Г. Электрические схемы и их оформление по ЕСКД: комплекс
учебно-методических материалов / С. Г. Синичкин; Нижегород. гос. техн. ун-т.
Нижний Новугород, 2006. - 78 с.

109. ГОСТ Р МЭК 60617-DB-12M-2015. Графические символы для схем (в формате
базы данных). - Мт Стандарт информ, 2016.

НО. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры; программное обеспечение, аппа-
ратные средства, программирование: [пер. с англ.]. / Л. Левенталь. - М.: Энерго-
атомиздат, 1983. - 464 с.

111. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем:
справочник: в 2 т. / В.-Ь. Ь. Абрайтис, Н. Н. Аверьянов, А. И. Белоус [и др.]; под
ред. В. А. Шахиова. - М.: Радио и связь, 1988. - Т. 1. - 368 с.

112. Хвощ, С. Т. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управ-
ления: справочник / С. Т. Хвощ, Н. Н. Варлинский, Е. А. Попов; под общ. ред.
С. Т Хвоща. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 640 с.

113. Каган, Б. М. Основы проектирования микропроцессорных устройств автомати-
ки / Б. М. Каган, В. В. Сташин - М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 304 с.

114. Микропроцессорные средства производственных систем / В. Н. Алексеев, А. М. Ко-
новалов, В. Г. Колосов [и др.]; под общ. ред. В. Г. Колосова. - Л.: Машинострое-
ние. Лениш р. отд-ние, 1988. - 287 с.
115. Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до про-
фи. Книга + видеокурс. - СПб.: Наука и техника, 2013. - 528 с.

116. Петин, В. А. Проекгы с использованием контроллера Arduino / ВЛ. Петин. -
СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.

117. Иванов, В. Ь. Программирование микроконтроллеров для начинающих. Визу-
альное проектирование, язык С, ассемблер / В. Б. Иванов. - К.: «МК - Пресс»;
СПб.: «КОРОНА- ВЕК», 2010.-176 с.

118. https://go-radio.rwmoshchnost-smd-rezistorov.htinl Мощность SMD резистора. Как
узнать?
ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Маркировка резисторов цветными полосками

Для маркировки резисторов широко применяется и маркировка
цветными полосками в соответствии с ГОСТ 28883-90 (МЭК 62-74)
(табл. II 1.1). Резисторы с допуском 20 % маркируются тремя полосками,
только для указания номинального значения. Для резисторов с допуском
10 % и 5 % используется еще одна полоска (всего четыре), которой обо-
значается допуск. Для резисторов большей точности используется пять
или даже шесть полосок. Реально узкие полоски наносятся на резистор в
виде цветных колец, смещенных к одному из выводов резистора. Иначе
первая полоска делается в два раза шире других. Это необходимо для
правильного отсчета полосок.

При трех и четырех полосках - первые две означают число, которое
надо умножить на степень десятки (десятичный множитель - третья по-
лоска), чтобы получить значение сопротивления резистора в омах.

При че) ырех полосках - последняя -допуск.

Таблица 111.1

Коды для маркировки резисторов и конденсаторов

I (вет Значимая цифра Множитель Допуск. % Температурный коэффициент сопротивления, 10 6 °C
Серебряный — 10'2 ±10 —
Золотой — 10ч ±5 —
Черный 0 1 — ±250
Коричневый 1 10 ±1 ±100
Красный 2 102 ±2 ±50
Оранжевый 3 103 — ±15
Желтый 4 1()4 — ±25
Зеленый 5 105 ±0,5 ±20
Г олубой 6 106 ±0.25 ±10
Фиолетовый 7 107 ±0,1 ±5
Серый 8 10* — ±1
Белый 9 109 — —
Без окраски — — ±20 —

Примечание. Цветовое кодирование температурного коэффициента применяют
только для значений с тремя значимыми цифрами.
Пример цветовой маркировки значений сопротивления с тремя зна-
чимыми цифрами и температурного коэффициента сопротивления приве-
ден на рис. П1.1.

Рис. 111.1. Пример цветовой маркировки значений сопротивления:

1 - красный (первая цифра); 2 - желтый (вторая цифра); 3 - белый (третья цифра);

4 - оранжевый (множитель); 5 - коричневый (допускаемое отклонение);

6 - красный (температурный коэффициент сопротивления)

Итак:

• первая цифра - красный - 2;

• вторая цифра - желтый - 4;

• третья цифра - белый - 9;

• множитель - оранжевый - 103 (1000);

• допускаемое отклонение - коричневый - ±1 %;

• темперагурный коэффициент сопротивления - ±50 • 10 6 °C.

Таким образом, получаем результат: резистор с сопротивлением
249 000 Ом (249 кОм), с допускаемым отклонением сопротивления ±1 %,
с температурным коэффициентом сопротивления ±50-10 6 °C.

Подобным образом, в соответствии с указанным ГОСТом, кодиру-
ются и конденсаторы.

Для учебных целей и практического освоения такого кодирования
резисторов можно обратиться к удачным разработкам радиолюбителей.
Так, например, на сайте http://radiohobby.org/modules/calculation/color-
code-calc приведен удобный компьютерный калькулятор цветовой марки-
ровки резисторов.
Типоразмеры, мощность рассеивания
и маркировка 5Л/7)-резисторов

Обозначение типоразмеров и маркировка 5Л//)-резисторов рассмот-
рены в [7].

Термин типоразмер включает в себя размер, форму и конфигура-
цию выводов (тип корпуса) какого-либо электронного компонента. Размер
SA/D-резисторов обозначается числовым четырехзначным кодом, который
образуется из длины (L - первые две цифры) и ширины (W - вторые две
цифры) резистора (таблица 112). Эти цифры могут задаваться в дюймовом
(in) или метрическом (мм) измерениях (первый и последний столбцы таб-
лицы П2.1.

Чтобы перевести размеры в миллиметры, достаточно размер в дюй-
мах перемножить на 25.4 и округлить до ближайшего большего числа.

Например, типоразмер 0805 (in) может быть пересчитан в мм:

• длина 0,08 • 24,5 = 1,96 (с округлением 2,0), тогда получим код -
20;

• ширина 0.05 • 24.5 = 1,225 (с округлением 1,2), тогда получим
код - 12.

Таким образом, код 2012 (мм) соответствует коду 0805 (in).

Мощность рассеивания ЗМ/Э-резисторов определяется по их размеру.

В табл. II2.1 приведены коды типоразмеров, размеры и мощность
рассеивания наиболее часто используемых 5.М/)-резисторов. Несколько
значений мощности рассеивания для одного и того же типоразмера связа-
ны с разными сериями резисторов [118].

Таблица 112.1

Размеры и мощность рассеивания SMD резисторов

Типоразмер (дюймы) Мощность, Вт Длина(L) Ширина (W), мм Типоразмер (мм)
0201 0.05 Вт 0.6/0.3 0603
0402 0.063 Вт; 0.125 Вт 1,0/0,5 1005
0603 0,1 Вт; 0,2 Вт 1,6/0,8 1608
0805 0,125 Вт; 0,25 Вт 2,0/1,25 2012
1206 0.25 Вт; 0,5 Вт 3.2/1.6 3216
1210 0.5 Вт 3,2/2,5 3225
1218 1 Вт; 1.5 Вт 3,2/4,8 3248
1812 0,5 Вт; 0,75 Вт 4,5/3,2 4532
2010 0.75 Вт 5,0/2,5 5025
2512 1 Вт; 1.5 Вт; 2 Вт 6,4/3,2 6432
На корпусе 5ЛЯ?-резисторов наносится маркировка, по которой
определяется значение сопротивления резистора. Малые габариты таких
резисторов привели к необходимости особой маркировки. Рассмотрим
наиболее ходовые способы такой маркировки.

Маркировка 5Л//7-резисторов с сопротивлениями менее 10 Ом про-
изводится двумя цифрами с буквой R, которая указывает положение деся-
тичной запятой: 0R5 = 0.5 Ом: 3R5 = 3,3 Ом.

Широко применяется маркировка тремя или четырьмя цифрами, где
первые две - три цифры определяют численное значение сопротивления
резистора. Последняя цифра (х) служит показателем степени, в которую
необходимо возвести 10, чтобы получить множитель (т. е. 10х) на который
необходимо умножить численное значение сопротивления. Затем полу-
ченное число (сопротивление Ом) переводится в более крупные единицы
(при необходимости):

330 ->33 Ом;

331->330 Ом:

332—*3300 Ом = 3,3 кОм....и т. д.

7992^799 • 102 = 79900 Ом = 79,9 кОм.

Как вывод: последняя цифра показывает, сколько нулей необходимо
добавить к численному значению сопротивления, чтобы получить оконча-
тельный результат в Ом.

Для прецизионных S/WD-резисторов с допуском по сопротивлению в
1 % маркировка производится по стандарту Е1А-96. Используются две
цифры и буква. Цифры представляют собой код, которому по таблице со-
ответствует трехзначное число, а следующая за цифрами кода буква опре-
деляет множитель [7].

Пример: 38С - 24300 Ом ±7 %.

Для кода 38 из таблицы следует число 243, буква С кода означает
множитель 10", т. е. 100. Добавляя два нуля к числу 243. получим 24 300 Ом
или 24.3 кОм.

Таким образом, в этом случае необходимо пользоваться таблицами
кодов и множителей, имеющимися в интернете калькуляторами для 5ЛЮ-
резисторов, или измерять сопротивление конкретного резистора мульти-
метром.

Особенности и практические примеры маркировки SMD резисторов
рассмотрены в работе: https://odinelectric.ru'industry-electronics/electronics/
rasshifrovka-cifrovoj-i-bukvennoj-nTarkirovki-snTd-rezistorov. Расшифровка
цифровой и буквенной маркировки SMD резисторов.
Приложение 3

Таблица 113.1

Множители и наименование приставок для образования десятичных кратных
и дольных единиц физических величин [20]

Множитель Приставка Обозначение приставки Множитель Приставка Обозначение приставки
международное русское международное русское
1018 экса Е Э МТ* деци d д
10’5 пета Р 11 1СГ2 санти с с
1012 тера Т Т 10 3 милли in м
109 гига G Г 10~6 микро М мк
106 мега М м 10^ нано п н
I03 кило к к 10-'2 ПИКО Р п
102 гекто h г 10’15 фемто f ф
10’ дека da да Ю'18 атто а а
Цветная маркировка малогабаритных конденсаторов

(ГОСТ 26192-84)

Цветная маркировка в виде точек или полосок применяется для ма-
логабаритных конденсаторов с номинальными напряжениями до 63 В.
Маркируются следующие параметры:

• номинальная емкость конденсатора (табл. П4.1);

• допускаемое отклонение емкости (табл. П4.2);

• номинальное напряжение (табл. 114.3);

• группа по температурной стабильности (табл. 114.4).

Номинальная емкость конденсаторов в пикофарадах кодируется
двумя цифрами и множителем 10", где п - любое целое число от —2 до +7.

Таблица 114.1

Цветовой код для маркировки номинальной емкости

I(ветовой код Номинальная емкость, пФ I (ветовой код Номинальная емкость, пФ
первая и вторая цифры множитель первая и вторая цифры множитель
Черный 10 1 Г олубой 33 10°
Коричневый 12 10 Фиолетовый 39 107
Красный 15 102 Серый 47 10~2
Оранжевый 18 10’ Белый 56 10’1
Желтый 22 104 Серебряный 68 —
Зеленый 27 105 Золотой 82 —

Например, цветовой код для номинальной емкости 47 мкФ (47-КГ):
серый с голубым.

Таблица 114.2

Цветовой код для маркировки допускаемого отклонения емкости
от номинального значения

](ветовой код Допускаемое отклонение емкости от номинального значения Цветовой код Допускаемое отклонение емкости от номинального значения
Черный ±20 % Голубой ±1 нФ
Коричневый ±1 % Фиолетовый +50 %, -20 %
Красный ±2% Серый +80 %, -20 %
Оранжевый ±0,25 пФ Белый ±10%
Желтый ±0,5 нФ
Зеленый ±5 %
Таблица 114.3

Цветовой код для маркировки номинального напряжения

Цветовой код Номинальное напряжение, В Цветовой код Номинальное напряжение. В
Золотой 1.6 Оранжевый 16.0
Серебряный 2,5 Зеленый 25,0 или 20,0
Серый 3,2 Г олубой 32,0 или 30
Черный 4.0 Желтый 40.0
Коричневый 6,3 Фиолетовый 50,0
Красный 10,0 Белый 63

Таблица П4.4

Цветовой код для маркировки i руппы но температурной
стабильности керамических конденсаторов

Группа по температурной стабильности Цветовой код Группа по температурной стабильности Цветовой код
П100 Красный с фиолетовым Ml 500 Оранжевый с оранжевым
НЗЗ Серый М2200 Желтый с оранжевым
МПО Черный НЮ Оранжевый с черным
МЗЗ Коричневый Н20 Оранжевый с красным
М47 Голубой с красным НЗО Оранжевый с зеленым
М75 Красный Н50 Оранжевый с голубым
Ml 50 Оранжевый Н70 Оранжевый с фиолетовым
М220 Желтый Н90 Оранжевый с белым
МЗЗО Зеленый
М470 Голубой
М750 Фиолетовый

Примечание. При двухцветной маркировке 1руппы по температурной стабильно-
сти, второй цвет может быть представлен цветом корпуса, либо цветом типографской
маркировки.
Синичкин Сергей Гаврилович
Синичкина Татьяна Борисовна

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
АВТОМАТИКИ

Учебное пособие

ISBN 978-5-9729-2561-2

Подписано в печать 17.03.2025
Формат 60х84/16. Уел. печ. л. 17.44. Печать по требованию.
Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman».

Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козлснская, д. 63
Тел.: 8 (800) 250-66-01

E-mail: booking@intra-e.ru
https://infra-e.ru

Издательство приглашает к сотру щичеству
авторов научно-технической литературы
Инфра-Инженерия

\ Jr Is'/ Издательство технической литературы

Издательство предлагает учебную литературу
последующим направлениям:

• IT. Информатика

• Авиационная и ракетно-космическая техника

* Автоматизация

• Автомобильная техника

• Арматура. Трубопроводы

• Бетоны

• Бурение нефтяных и газовых скважин

• Вооружение. Радиоэлектронные системы

• Газовое хозяйство

• Геодезия, картография и маркшейдерское дело

• Геология. Геофизика. Геохимия

• Горное дело

* Железнодорожный транспорт

• Лесная промышленность

• Логистика

• Машиностроение

* Медицина и биоинженерия

• Металлургия

• Нефтегазовая промышленность

• Педагогика. Психология

• Пищевая промышленность

• Промышленная безопасность. Охрана труда

• Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

• Сварочное дело

• Словари

• Сети и коммуникации. Волоконно-оптическая техника

* Строительство

• Судостроение

• Транспортное строительство. Дороги. Мосты. Тоннели

• Физико-математические науки

• Химия Химические технологии

• Экология. Безопасность жизнедеятельности

• Экономика. Управление. Электронная коммерция

• Электроника

• Электро- и теплоэнергетика

Интернет-магазин
infra-e.ru

Телефон

8 800 250-66-01

8 911-512 48 48

Более 2000 выпущенных книг
по 30 гемам и направлениям

Доставляем наши книги по
всей России от Калининграда
до Камчатки, а также и
страны СНГ

Нам доверяю* более 90
учебных заведений в России
и за рубежом