Светоиспускающие элементы

Рис. 2.11

Светоиспускающие полупроводниковые диоды (светодиоды) в известном смысле являются «антиподами» фотодиодам: при протекании через них электрического тока (электронного и дырочного) происходит рекомбинация этих движущихся навстречу друг другу частиц, в результате чего оба носителя заряда теряют свою кинетическую энергия. Высвобождается энергия в первую очередь в форме квантов (т. е. светового или инфракрасного излучения). Кванты светового излучения называют фотонами, а кванты инфракрасного «теплового» излучения – фононами. Поскольку светодиоды чаще всего применяют как индикаторы, то полезным «выходом» светодиода является доля фотонов в общем количестве испущенных частиц. Условное обозначение светодиодов в электронных схемах приведено на рис. 2.11.

В светодиодах применяют различные полупроводниковые материалы – чаще других арсенид галлия GaAs и карбид кремния SiC; от применяемого материала, а также от приложенного к светодиоду напряжения зависит цвет излучения светодиода.

Светодиоды объединяют вместе с фотодиодами в единые элементы, называемые оптронами или оптопарами. Применение оптронов позволяет организовать в электронных схемах гальваническую развязку между цепями - например, между цепью управляющего сигнала и управляемой (коммутируемой) цепью.

Терморезисторы

Терморезисторами называют элементы, сопротивление которых зависит от температуры. Существуют различные модификации этих элементов, однако большинство терморезисторов составляют термисторы - терморезисторы прямого подогрева, сопротивление которых зависит от значения протекающего через них электрического тока. Термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов. Конструктивно они представляют собой объемные тела с однородным составом. Условное обозначение терморезисторов приведено на рис 2.12, а.

а)	б)
Рис. 2.12

Зависимость сопротивления термистора от температуры - температурная характеристика (ТХ) приведена на рис. 2.12, б. Уменьшение сопротивления с увеличением температуры – общее свойство полупроводниковых материалов: подвод тепловой энергии к атомам полупроводника приводит к высвобождению электронов с наружных орбит. Свободные электроны под действием приложенного внешнего напряжения двигаются к положительному полюсу и образуют электрический ток. При малых токах нагрев термистора слабый, сопротивление – большое, поэтому напряжение на термисторе значительное. С возрастанием тока нагрев увеличивается, сопротивление понижается, поэтому снижается и напряжение.

Кроме термисторов к терморезисторам относятся болометры, реагирующие на энергию электромагнитных волн сверхвысоких частот; терморезисторы косвенного подогрева, имеющие форму втулок, надеваемых на источники теплового излучения; позисторы, изготавливаемые из особой группы полупроводников – цирконатов и титанатов бария и свинца, у которых за счет доменной структуры материала имеет место увеличение сопротивления при возрастании температуры.

Варисторы

Варистор – нелинейное полупроводниковое сопротивление (НПС), управляемое приложенным к этому элементу напряжением. Варисторы не имеют электронно-дырочных переходов и выполняются, как правило из порошкообразного карбида кремния SiC. Оба компонента относятся к четвертой группе таблицы Д.И. Менделеева, поэтому карбид кремния, несмотря на наличие двух составляющих относится к чистым полупроводникам. Применяются и другие полупроводниковые материалы, в том числе разработанный в 70-е годы прошлого столетия в ЛЭТИ материал «лэтин».

Рис. 2.13

Условное обозначение варистора приведено на рис. 2.13. На рис. 2.14, а приведена вольт-амперная характеристика варистора, а на рис. 2.14, б – зависимость сопротивления варистора от приложенного напряжения. Характеристики инвариантны к полярности приложенного к варистору напряжения.

Рис. 2.14

Несмотря на кажущуюся простоту устройства варистора его свойства обусловлены довольно сложными физическими процессами. Пористость карбида кремния приводит к тому, что в толще материала имеются острые зубцы материала, внутренние поверхности покрыты тонкой пленкой окисла, контакты отдельных кристаллов имеют небольшую площадь, а потому – большое сопротивление. При повышении напряжения, приложенного к варистору, на остриях возникает автоэлектронная эмиссия, происходят пробой оксидных пленок и микронагрев контактных площадок кристаллов. Все три механизма обуславливают понижение сопротивления элемента.

Электронные лампы

Этот параграф содержит историческую справку о том, на какой элементной базе развивалась электроника до тех мор, пока не удалось создать совершенные полупроводниковые приборы. В 1904 году Флеминг изготовил первый диод. По своей вольт-амперной характеристике этот элемент ничем не отличался от полупроводникового диода, описанного в п. 2.3. Однако по своему устройству диод Флеминга свершено не похож на свой более поздний аналог – он представлял собой полый сосуд, из которого был откачан воздух, а внутрь сосуда введены два электрода. Один из электродов – катод являлся источником электронов, вылетавших в вакуум благодаря термоэмиссии (катод подогревался так называемой нитью накала). Попав в вакуум, электроны либо устремлялись к другому электроду – аноду (если на нем был положительный потенциал относительно катода), либо скапливались вблизи катода в случае «отрицательного анода». Скопление электронов – пространственный заряд препятствовал дальнейшей эмиссии и процесс стабилизировался.

Вакуумный диод (позднее стали говорить «электровакуумный») называли также термином «кенотрон». Так по наличию вакуума этот элемент имел много общего с осветительными лампами накаливания, то его и родственные ему иные радиодетали получили групповое название «радиолампы». Главными недостатками радиоламп были: необходимость подогрева катода (на это уходила значительная энергия); высокие напряжения между электродами (сотни вольт – единицы киловольт), что делало настройку схем небезопасной и, наконец, большие габариты ламп.

В 1907 г. Ли де Форест ввел между катодом и анодом третий электрод. Этот электрод конструктивно был выполнен в форме сетки, и поэтому получил именно это название (по-английски greed, по-немецки – gitter; именно по первой букве слова «сетка» в этих языках потенциал сетки стали обозначать, как U_g). Сама лампа получила название триод – она являлась аналогом будущего транзистора, причем первые транзисторы в СССР называли полупроводниковыми триодами, сокращенно – ППТ. Изобретение Ли де Фореста произвело революцию в электронике – меняя напряжение U_g, можно было изменять ток между анодом и катодом (примерно так током через транзистор управляют напряжение на базе или на затворе). В дальнейшем в радиолампах появились вторая, третья и даже пятая сетки), а общее количество электродов достигло семи. Соответственно, лампа с двумя сетками называлась тетродом, с тремя – пентодом и т.д. Получили свою маркировку и сетки. К сожалению, при переходе к полупроводниковым элементам схемы, основанные на многосеточных лампах не получили своих полупроводниковых аналогов и остались в истории электроники.

Кроме вакуумных радиоламп были разработаны и газонаполненные (газоразрядные). В большинстве из них использовался тлеющий разряд, что роднит их с газосветными трубками. Наибольшее распространение получил аналог полупроводникового тиристора – тиратрон. Собственно говоря, слово «тира», обозначающее «поджиг» перешло к тиристору от своего газоразрядного аналога, хотя в тиристоре никакого горения нет.

Следует отметить, что радиолампы и транзисторы сосуществовали несколько десятилетий. Изготовители радиоламп минимизировали их размеры, даже размещали лампы внутри так называемых «микромодулей» - первых микросхем, снижали напряжения на электродах, сумели обойтись без подогрева катода. Но полупроводниковые элементы все же оказались совершеннее. И все-таки замена радиоламп на транзисторы (особенно на биполярные) сопровождалась не только положительными эффектами: подавая отрицательное напряжение на сетку, можно было добиться нулевого тока через вакуумный триод, да и ток сетки становился нулевым. А вот через транзистор при любом запирающем напряжении на базе течет ток неосновных носителей. Впрочем, этот недостаток свойственен только биполярным транзисторам, полевые обладают достоинствами и радиоламп, и полупроводников.

Лампы не исчезли полностью из электроники – на основе формирования пучков электронов в вакууме действуют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Вместо анода-собирателя электронов у трубок анод представляет собой кольцо с большим положительным потенциалом. Электроны под действием этого потенциала сильно разгоняются и в силу инерции пролетают мимо анода, попадают в экран и вызывают его свечение. В эксплуатации до сих пор находятся телевизоры и мониторы компьютеров на основе ЭЛТ, а среди осциллографов приборы с указанным принципом формирования изображения пока превалируют.

Вместе с тем постепенно уходят в историю и транзисторы, выполненные в форме отдельных элементов – на смену им пришли интегральные микросхемы (ИМС). Однако понимания принципа действия современных электронных схем ни основе ИМС невозможно добиться без знания физики процессов в простейших полупроводниковых элементах – диодах, транзисторах и т.д., поэтому в пособии схемам на их базе уделено определенное внимание.

ФИЛЬТРЫ

Фильтры – это электронные схемы, назначением которых является избирательность: коэффициент передачи К_U фильтров зависит от частоты f (под коэффициентом передачи подразумевают отношение амплитуды выходного сигнала U_вых к амплитуде входного U_вх). Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) схемы. Основной характеристикой фильтра является граничная частота f_гр– такая, при которой К_U = 0,7 от своего максимального значения. По форме АЧХ фильтры подразделяют на четыре вида (рис. 3.1): а – фильтр низких (нижних) частот (ФНЧ); б – фильтр высоких (верхних) частот (ФВЧ); в – полосовой фильтр (ПФ); г – режекторный фильтр (РФ). Кроме того, существуют так называемые гребенчатые фильтры, которые имеют несколько полос пропускания, разделенных полосами, в пределах которых сигнал не проходит через схему.

Используют и другой классификационный признак, в соответствии с которым фильтры относят к электрическим (пассивным – состоящим только из элементов R, C, L, и активным – содержащим активные элементы, например, операционные усилители) и неэлектрическим.

В данной главе рассмотрены только пассивные и неэлектрические фильтры, так как для объяснения принципа действия активных фильтров тре-

Рис. 3.1

буется предварительное изучение операционных усилителей, с активными фильтрами можно познакомиться в гл. 5 настоящего пособия.