Полупроводниковые диоды

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

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

1. Выпрямительные диоды

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max,

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max,

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА,

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

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

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

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

Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах

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

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

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

Без внешнего источника электропитания (режим фотогенератора);

С внешним источником электропитания (режим фотопреобразователя).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Условно- графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке :

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

2. Полевой МДП (МОП) транзистор с изолированным затвором

Тиристор

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.10. Симметричный тиристор (симистор)

Выпрямитель

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

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

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

Рис. 11. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

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

· частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),

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

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

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

В этой статье мы рассмотрим обозначение радиоэлементов на схемах.

С чего начать чтение схем?

Для того, чтобы научиться читать схемы, первым делом, мы должны изучить как выглядит тот или иной радиоэлемент в схеме. В принципе ничего сложного в этом нет. Вся соль в том, что если в русской азбуке 33 буквы, то для того, чтобы выучить обозначения радиоэлементов, придется неплохо постараться.

До сих пор весь мир не может договориться, как обозначать тот или иной радиоэлемент либо устройство. Поэтому, имейте это ввиду, когда будете собирать буржуйские схемы. В нашей статье мы будем рассматривать наш российский ГОСТ-вариант обозначения радиоэлементов

Изучаем простую схему

Ладно, ближе к делу. Давайте рассмотрим простую электрическую схему блока питания, которая раньше мелькала в любом советском бумажном издании:

Если вы не первый день держите паяльник в руках, то для вас с первого взгляда сразу все станет понятно. Но среди моих читателей есть и те, кто впервые сталкивается с подобными чертежами. Поэтому, эта статья в основном именно для них.

Ну что же, давайте ее анализировать.

В основном, все схемы читаются слева-направо, точно также, как вы читаете книгу. Всякую разную схему можно представить в виде отдельного блока, на который мы что-то подаем и с которого мы что-то снимаем. Здесь у нас схема блока питания, на который мы подаем 220 Вольт из розетки вашего дома, а выходит уже с нашего блока постоянное напряжение . То есть вы должны понимать, какую основную функцию выполняет ваша схема . Это можно прочесть в описании к ней.

Как соединяются радиоэлементы в схеме

Итак, вроде бы определились с задачей этой схемы. Прямые линии – это провода, либо печатные проводники, по которым будет бежать электрический ток . Их задача – соединять радиоэлементы.

Точка, где соединяются три и более проводников, называется узлом . Можно сказать, в этом месте проводки спаиваются:

Если пристально вглядеться в схему, то можно заметить пересечение двух проводников

Такое пересечение будет часто мелькать в схемах. Запомните раз и навсегда: в этом месте провода не соединяются и они должны быть изолированы друг от друга . В современных схемах чаще всего можно увидеть вот такой вариант, который уже визуально показывает, что соединения между ними отсутствует:

Здесь как бы один проводок сверху огибает другой, и они никак не контактируют между собой.

Если бы между ними было соединение, то мы бы увидели вот такую картину:

Буквенное обозначение радиоэлементов в схеме

Давайте еще раз рассмотрим нашу схему.

Как вы видите, схема состоит из каких-то непонятных значков. Давайте разберем один из них. Пусть это будет значок R2.

Итак, давайте первым делом разберемся с надписями. R – это значит . Так как у нас он не единственный в схеме, то разработчик этой схемы дал ему порядковый номер “2”. В схеме их целых 7 штук. Радиоэлементы в основном нумеруются слева-направо и сверху-вниз. Прямоугольник с чертой внутри уже явно показывает, что это постоянный резистор с мощностью рассеивания в 0,25 Ватт. Также рядом с ним написано 10К, что означает его номинал в 10 Килоом. Ну как-то вот так…

Как же обозначаются остальные радиоэлементы?

Для обозначения радиоэлементов используются однобуквенные и многобуквенные коды. Однобуквенные коды – это группа , к которой принадлежит тот или иной элемент. Вот основные группы радиоэлементов :

А – это различные устройства (например, усилители)

В – преобразователи неэлектрических величин в электрические и наоборот. Сюда могут относиться различные микрофоны, пьезоэлементы, динамики и тд. Генераторы и источники питания сюда не относятся .

С – конденсаторы

D – схемы интегральные и различные модули

E – разные элементы, которые не попадают ни в одну группу

F – разрядники, предохранители, защитные устройства

H – устройства индикации и сигнальные устройства, например, приборы звуковой и световой индикации

K – реле и пускатели

L – катушки индуктивности и дроссели

M – двигатели

Р – приборы и измерительное оборудование

Q – выключатели и разъединители в силовых цепях. То есть в цепях, где “гуляет” большое напряжение и большая сила тока

R – резисторы

S – коммутационные устройства в цепях управления, сигнализации и в цепях измерения

T – трансформаторы и автотрансформаторы

U – преобразователи электрических величин в электрические, устройства связи

V – полупроводниковые приборы

W – линии и элементы сверхвысокой частоты, антенны

X – контактные соединения

Y – механические устройства с электромагнитным приводом

Z – оконечные устройства, фильтры, ограничители

Для уточнения элемента после однобуквенного кода идет вторая буква, которая уже обозначает вид элемента . Ниже приведены основные виды элементов вместе с буквой группы:

BD – детектор ионизирующих излучений

BE – сельсин-приемник

BL – фотоэлемент

BQ – пьезоэлемент

BR – датчик частоты вращения

BS – звукосниматель

BV – датчик скорости

BA – громкоговоритель

BB – магнитострикционный элемент

BK – тепловой датчик

BM – микрофон

BP – датчик давления

BC – сельсин датчик

DA – схема интегральная аналоговая

DD – схема интегральная цифровая, логический элемент

DS – устройство хранения информации

DT – устройство задержки

EL – лампа осветительная

EK – нагревательный элемент

FA – элемент защиты по току мгновенного действия

FP – элемент защиты по току инерционнго действия

FU – плавкий предохранитель

FV – элемент защиты по напряжению

GB – батарея

HG – символьный индикатор

HL – прибор световой сигнализации

HA – прибор звуковой сигнализации

KV – реле напряжения

KA – реле токовое

KK – реле электротепловое

KM – магнитный пускатель

KT – реле времени

PC – счетчик импульсов

PF – частотомер

PI – счетчик активной энергии

PR – омметр

PS – регистрирующий прибор

PV – вольтметр

PW – ваттметр

PA – амперметр

PK – счетчик реактивной энергии

PT – часы

QF

QS – разъединитель

RK – терморезистор

RP – потенциометр

RS – шунт измерительный

RU – варистор

SA – выключатель или переключатель

SB – выключатель кнопочный

SF – выключатель автоматический

SK – выключатели, срабатывающие от температуры

SL – выключатели, срабатывающие от уровня

SP – выключатели, срабатывающие от давления

SQ – выключатели, срабатывающие от положения

SR – выключатели, срабатывающие от частоты вращения

TV – трансформатор напряжения

TA – трансформатор тока

UB – модулятор

UI – дискриминатор

UR – демодулятор

UZ – преобразователь частотный, инвертор, генератор частоты, выпрямитель

VD – диод , стабилитрон

VL – прибор электровакуумный

VS – тиристор

VT –

WA – антенна

WT – фазовращатель

WU – аттенюатор

XA – токосъемник, скользящий контакт

XP – штырь

XS – гнездо

XT – разборное соединение

XW – высокочастотный соединитель

YA – электромагнит

YB – тормоз с электромагнитным приводом

YC – муфта с электромагнитным приводом

YH – электромагнитная плита

ZQ – кварцевый фильтр

Графическое обозначение радиоэлементов в схеме

Постараюсь привести самые ходовые обозначения элементов, используемые в схемах:

Резисторы и их виды

а ) общее обозначение

б ) мощностью рассеяния 0,125 Вт

в ) мощностью рассеяния 0,25 Вт

г ) мощностью рассеяния 0,5 Вт

д ) мощностью рассеяния 1 Вт

е ) мощностью рассеяния 2 Вт

ж ) мощностью рассеяния 5 Вт

з ) мощностью рассеяния 10 Вт

и ) мощностью рассеяния 50 Вт

Резисторы переменные

Терморезисторы

Тензорезисторы

Варисторы

Шунт

Конденсаторы

a ) общее обозначение конденсатора

б ) вариконд

в ) полярный конденсатор

г ) подстроечный конденсатор

д ) переменный конденсатор

Акустика

a ) головной телефон

б ) громкоговоритель (динамик)

в ) общее обозначение микрофона

г ) электретный микрофон

Диоды

а ) диодный мост

б ) общее обозначение диода

в ) стабилитрон

г ) двусторонний стабилитрон

д ) двунаправленный диод

е ) диод Шоттки

ж ) туннельный диод

з ) обращенный диод

и ) варикап

к ) светодиод

л ) фотодиод

м ) излучающий диод в оптроне

н ) принимающий излучение диод в оптроне

Измерители электрических величин

а ) амперметр

б ) вольтметр

в ) вольтамперметр

г ) омметр

д ) частотомер

е ) ваттметр

ж ) фарадометр

з ) осциллограф

Катушки индуктивности

а ) катушка индуктивности без сердечника

б ) катушка индуктивности с сердечником

в ) подстроечная катушка индуктивности

Трансформаторы

а ) общее обозначение трансформатора

б ) трансформатор с выводом из обмотки

в ) трансформатор тока

г ) трансформатор с двумя вторичными обмотками (может быть и больше)

д ) трехфазный трансформатор

Устройства коммутации

а ) замыкающий

б ) размыкающий

в ) размыкающий с возвратом (кнопка)

г ) замыкающий с возвратом (кнопка)

д ) переключающий

е ) геркон

Электромагнитное реле с разными группами контактов

Предохранители

а ) общее обозначение

б ) выделена сторона, которая остается под напряжением при перегорании предохранителя

в ) инерционный

г ) быстродействующий

д ) термическая катушка

е ) выключатель-разъединитель с плавким предохранителем

Тиристоры

Биполярный транзистор

Однопереходный транзистор

При проведении электротехнических работ каждый человек, так или иначе, сталкивается с условными обозначениями, которые есть в любой электрической схеме. Эти схемы очень разнообразны, с различными функциями, однако, все графические условные обозначения приведены к единым формам и во всех схемах соответствуют одним и тем же элементам.

Основные условные обозначения в электрических схемах ГОСТ, отображены в таблицах

В настоящее время в электротехнике и радиоэлектронике применяются не только отечественные элементы, но и продукция, производимая иностранными фирмами. Импортные электрорадиоэлементы составляют огромный ассортимент. Они, в обязательном порядке, отображаются на всех чертежах в виде условных обозначений. На них определяются не только значения основных электрических параметров, но и полный их перечень, входящих в то или иное устройство, а также, взаимосвязь между ними.

Чтобы прочитать и понять содержание электрической схемы

Нужно хорошо изучить все элементы, входящие в ее состав и принцип действия устройства в целом. Обычно, вся информация находится либо в справочниках, либо в прилагаемой к схеме спецификации. Позиционные обозначения характеризуют взаимосвязь элементов, входящих в комплект устройства, с их обозначениями на схеме. Для того, чтобы обозначить графически тот или иной электрорадиоэлемент, применяют стандартную геометрическую символику, где каждое изделие изображается отдельно, или в совокупности с другими. От сочетания символов между собой во многом зависит значение каждого отдельного образа.

На каждой схеме отображаются

Соединения между отдельными элементами и проводниками. В таких случаях немаловажное значение имеет стандартное обозначение одинаковых комплектующих деталей и элементов. Для этого и существуют позиционные обозначения, где типы элементов, особенности их конструкции и цифровые значения отображаются в буквенном выражении. Элементы, применяемые в общем порядке, обозначаются на чертежах, как квалификационные, характеризующие ток и напряжение, способы регулирования, виды соединений, формы импульсов, электронную связь и другие.

Лекция № 4

Полупроводниковые диоды

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

Классификация полупроводниковых диодов

- Выпрямительные диоды;

- Диоды Шоттки;

- Импульсные диоды;

- СВЧ диоды;

- Варикапы;

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

- Светодиоды;

- Фотодиоды;

- Оптопара (светодиод+фотодиод);

- Тоннельный диод.

Условные графические обозначения диодов разных типов

Принцип работы диода

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

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

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

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

Вышесказанное наглядно подтверждает вольтамперная характеристика полупроводникового диода:

Ток через p-n переход описывается формулой:

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

e – основание натурального логарифма;

e’ – заряд электрона;

Т – температура;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

k – постоянная Больцмана.

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

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

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

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

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

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

Частотные свойства диодов, барьерная емкость

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

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

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

Электрическая постоянная, численно равная 8,854187817.10 − 12

S p - n – площадь p-n перехода;

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

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

Эквивалентная схема p-n перехода.

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

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

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

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

Выпрямительные диоды

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

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

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

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

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

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

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

Для устранения этого недостатка используют двухполупериодный выпрямитель:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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