20 задач по промышленной электронике

Задача1……………………………………………………………………2
Задача2……………………………………………………………………2
Задача3……………………………………………………………………3
Задача4……………………………………………………………………7
Задача5…………………………………………………………………...11
Задача6…………………………………………………………………...12
Задача7…………………………………………………………………...13
Задача8…………………………………………………………………...14
Задача9…………………………………………………………………...15
Задача10………………………………………………………………….17
Задача11………………………………………………………………….18
Задача12………………………………………………………………….20
Задача 13…………………………………………………………………22
Задача 14…………………………………………………………………23
Задача 15…………………………………………………………………24
Задача 16…………………………………………………………………26
Задача 17…………………………………………………………………28
Задача18…………………………………………………………………29
Задача19…………………………………………………………………31
Задача 20…………………………………………………………………32  
Списокиспользуемых источников информации……………………...34
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шифр04     Задача 1    Вариант2
При введении(легировании) вГерманий- Сурьмы, а в Кремний- Фосфора возникает электронный типпроводимости, т.к Германий и Кремний элементы 4 группы, а Сурьма и Фосфор5-ой, следовательно Sbи Pявляются донорными примесями для Geи Si. При понижении температуры сопротивление увеличивается, какпрямое, так и обратное, а также появляется вероятность механических поврежденийкристалла из-за увеличивающейся хрупкости.Так для германиевых диодовдопустимый интервал температур окружающей среды лежит в пределах
Шифр04     Задача 2    Вариант3

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 1
1.-дрейф дырки
2.-диффузия электрона в результате дрейфа дырки
Процесс востановления связейза счёт перемещения электронов от одного атома к другому, удобно представить ввиде противоположно направленного движения дырок, которые имеют положительныйзаряд.Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон в зонепроводимости-дырка в валентной зоне называется генерацией собственных носителей заряда.
Одновременно с генерациейпротекает процесс рекомбинации-встречиэлектронов с дырками, сопровождающийся возвратом электронов из зоны проводимостив валентную зону и исчезновением свободных зарядов.
Шифр04     Задача 3    Вариант4 Туннельные диоды.
Туннельные диодывыполняются из полупроводников с большим количеством примесей (вырожденныеполупроводники). Вольтамперная характеристика p-n перехода, выполненногона основе вырожденных полупроводников, имеет область с отрицательным сопротивлением,на котором при увеличении напряжения протекающий ток уменьшается. Элемент,обладающий отрицательным сопротивлением, не потребляет электрическую энергию, аотдает ее в цепь, т.е. является активным элементом цепи.
Наличиепадающего участка вольтмаперной характеристики позволяет применять туннельныедиоды в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний широкогодиапазона частот, включая СВЧ, и в качестве высокоскоростных переключателей.
Туннельные диодывыполняются из вырожденных полупроводников, главным образом из германия,кремния и арсенида галлия. Т.к. для туннельного перехода носителей сквозьпотенциальный барьер p-n переход должен быть узким и резким, то p-n переходытуннельного диода изготавливают методом вплавления. Кроме того, применяетсяметод эпитаксильного наращивания вырожденных слоев, который также позволяетполучить резкие переходы. Для уменьшения емкости (а, следовательно, дляповышения верхней граничной частоты, на которой туннельный диод может работатькак активный элемент с отрицательным сопротивлением) применяется методполучения p-n переходов малой площади.

Вольт-амперная хар-ка туннельного диода
Вольтампернаяхарактеристика туннельного диода показана на рисунке. Ее вид зависит отконцентрации примесей, от рода примесей при одном и том же значенииконцентрации и от температуры, причем зависимость от температуры различна длятуннельных диодов, выполненных из разных материалов.
Основнымпараметром, характеризующим вольтамперную характеристику туннельного диода,является отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризующее наклонпадающего участка:

Т. к. туннельноепрохождение электронов сквозь потенциальный барьер перехода не связано смедленным процессом диффузии, то скорость передачи туннельного тока оченьвелика (порядка p-n перехода С, сопротивлением потерь
На частотах выше
При работетуннельного диода в переключающих схемах его быстродействие характеризуетсявеличиной времени переключения
Условно-графическоеизображение:

Пример: Диодтуннельный из арсенида галлия  АИ101А I.п =1 мА,
I.о = 0,2мА, C.д = 4 пФ
АИ101А
А-материал(арсенид галлия )
И- диодтуннельный
1-диапазоносновных параметров(мощность, основноеназначение)
01-номерразработки
А-технологическоеделение на параметрические группы
3.2 Выпрямительные  диоды (силовые диоды. вентили).
ВыпрямительныеПД применяются для преобразования переменного тока низкой частоты (до 50кГц) вток одного направления (выпрямление переменного тока). Обычно рабочие частотывыпрямительных ПД малой и средней мощности не превышают 20 кГц, а диодовбольшой мощности — 50 Гц.
Возможностьприменения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойствомпроводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал).
В связи сприменением выпрямительных диодов к их характеристикам и параметрампредъявляются следующие требования:
а) малыйобратный ток
б) большоеобратное напряжение;
в) большойпрямой ток;
г) малое падениенапряжения при протекании прямого тока.
Для того, чтобыобеспечить эти требования, выпрямительные диоды выполняются изполупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, что уменьшаетобратный ток, и большим удельным сопротивлением, что увеличивает допустимоеобратное напряжение. Для получения в прямом направлении больших токов и малыхпадений напряжения следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщинубазы.
Выпрямительныедиоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельнымсопротивлением, причем Si является наиболее перспективным материалом.

Кремниевыедиоды, в результате того, что Si имеет большую ширину запрещенной зоны, имеютво много раз меньшие обратные токи, но большее прямое падение напряжения, т.е.при равной мощности отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодовбудет больше. Кремниевые диоды имеют большие обратные напряжения и большиеплотности тока в прямом направлении.      
Зависимостьвольтамперной характеристики кремниевого диода от температуры показана нарис.2.1.
Из рисунка 2.1следует, что ход прямой ветви вольтамперных характеристик при изменениитемпературы изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрацияосновных носителей заряда при изменении температуры практически почти неизменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.
Количествонеосновных носителей заряда определяется температурой и поэтому ход обратнойветви вольтамперной характеристики сильно зависит от температуры, причем этазависимость резко выражена для гермениевых диодов. Величина напряжения пробоятоже зависит от температуры. Эта зависимость определяется видом пробоя p-nперехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации p-n переходу обратное напряжение. При тепловомпробое
В некотороминтервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего бывает тепловым(ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых диодов — электрическим.Это определяет значения
Условно-графическоеизображение:

Пример: Диодкремниевый сплавной  КД203Д I.п =10 А, I.о = 1500мкА, Uобр,max=1000В, масса 10 г.
КД203Д
К–материал кремний
Д– диод выпрямительный
2  –диапазон основныхпараметров(мощность, основное назначение)
03–номер разработки
Д–технологическое деление напараметрические группы
 
 
 
 
 
 
 
Шифр04     Задача 4    Вариант8
Дано:R3= 50 кОм, R4= 70 кОм,R5=0,35 кОм, Uвх= 15В(синусоидальное), Определить амплитуды и формы напряжения на выходе. Начертитьграфики напряжений.(диоды считать идеальными). Типы диодов VD3-КД226А,
VD4-КД226А,VD5-ГД402А,VD6-КС131А.Входноенапряжение синусоидальное.

Схема б
Расмотрим воздействиеположительной части сигнала:
схема примет вид:

i1=i2=i3=0,
следовательно Uвых=i3 R3=0
Расмотрим воздействиеотрицательной части сигнала:
схема примет вид:

i1=i2=Uвх/R3, i3≈0
следовательно Uвых≈0 (с учётом характеристик реальных диодов
Uвых= -Uпр, где Uпр-прямоенапржение(падение напряжения на диоде VD4,когда он открыт))
Uвых=0 в любой момент времени.
Параметры диодов VD3 VD4,:
Uпр=1В,Uобр.макс.=400 В, Iпр.макс.=0,3 А, Iобр.=
График напряжения навыходе, будет иметь вид:

Диоды идеальные
где, Т-период, А-амплитуда напряженияна входе, А*-амплитуда напряжения на выходе
Для реальных диодов графикпримет вид:

Схема В
Параметры диода VD5: тип ГД 402А Uпр=0,45В,Uобр.макс.=15В, Iпр.макс.=0,03 А, Iобр.=
Параметры стабилитрона VD6: тип КС 131А Uст=3,1В, Iст.макс.=0,081А, Iобр.=

Рассмотрим воздействиеположительной части сигнала:
схема примет вид:

Следовательно: Диод VD5 открыт, его сопротивление меньше R5, через стабилитрон будет протекать ток стабилизации i= Uвх/R5=Uвых=Uст=3,1 В
Рассмотрим воздействиеотрицательной части сигнала:
схемапримет вид:

следовательно: диод VD5 закрыт, i=-Iобр.=-
Соответственно Uвых= 0
График напряжения навыходе, будет иметь вид:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шифр04     Задача 5    Вариант7
Построить ВАХ иследуемогостабилитрона, определить основные хар-ки.
Схема иследования

Данные иследования:
I, мА
0,01
0,05
0,2
0,5
4
12
16
20
50
U, В
0,5
5
10
20
30
35
40
47
47
ВАХ стабилитрона

Согласно построенной ВАХстабилитрона  очевидно, что
Iminстаб=5,5 А, Uстаб.=47 В.
Из справочника даннымпараметрам приблизительно соответствует импортный аналог:
1N4756A,стабилитрон 47В
Мощность рассеяния, Вт:
1
Минимальное напряжение стабилизации, В:
44.65
Номинальное напряжение стабилизации, В:
47
Максимальное напряжение стабилизации, В:
49.35
Статическое сопротивление Rст., Ом:
80
при токе I ст, мА:
5.5
Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА:
16
Рабочая температура, С:
-55…200
 
 
 
 
 
 
Шифр04     Задача 6    Вариант3
Дано:Uот=5 В, Rн= 11 Ом ,Uип=5 В


Схема с тринистором будетиметь вид:

Iн = Uп/Rн=5/11=0,45 А
 
 
 
 
 
Шифр04     Задача 7    Вариант8
Дано:
№ вар.
Структура транзистора
Первое измерение
Второе измерение
Результаты расчёта
8
n-p-n
Iб1, мкА
Iк1, мА
Iб2, мкА
Iк2, мА
β
α
40
6,5
60
8,5
100
0.999
Нарисоватьсхему эксперимента, обьяснить значение коэффициентов α и β, найти иисправить описку в таблице.
α — коэфициент передачи тока, характеризующий связь между приращениями эммитерного иколлекторного токов.На практике для характеристики усилительных свойствтранзистора пользуются коэффициентом передачи тока эмиттера или, как его иначеназывают, коэффициентом усиления по току a, который является отношением общегоколлекторного переменного тока к общему эмиттерному переменному току в режимекороткого замыкания коллектора на базу по переменному току.

β — коэффициент усиленияпо току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент βперед показывает, как изменяется ток коллектора Iк при единичномизменении тока базы Iб

Схема эксперимента

Проверимрезультаты расчёта, данные в таблице:

Рассчитановерно

 
Рассчитаноневерно
Ответ:описка, вместо 0,999 должно быть 0,9901
 
 
 
Шифр04     Задача 8    Вариант4
Изобразитьструктуру, обозначение и передаточную хар-ку полевого транзистора, с изолированнымзатвором и индуцированным n-каналом.

           
                                                                                                                           Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 2
В МДП-транзисторах с индуцированнымканалом (рис. 2) проводящий канал между сильнолегированными областями истока истока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только приопределенной полярности и при определенном значении напряжения на затвореотносительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).
Принцип действия
При напряжении на затвореотносительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стокаоказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n переходамежду подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательномпотенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2) в результатепроникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводникпри малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) уповерхности полупроводника под затвором возникает обедненный основныминосителями слой эффект поля и область объемного заряда, состоящая изионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях назатворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника подзатвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющимисток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться сизменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока,т. е. ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Такпроисходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированнымзатвором и с индуцированным каналом.

 стоко – затворная характеристика полевоготранзистора со встроеным каналом n-типа.
 
 
 
 
Шифр04     Задача 9    Вариант3
Полупроводниковые, газоразрядныеиндикаторы.Дать определение, принцип работы, условное графическое обозначение иобласть применения.Достоинства и недостатки.
Индикаторыгазоразрядные, газонаполненныеприборы для визуального воспроизведения информации. В И. г. используется главнымобразом свечение катодной области тлеющего разряда. Они имеют высокуюнадёжность, долговечность (до 10 000 ч), большую яркость (сотни — тысячинит), малую потребляемую мощность. Различают И. г.: сигнальные, вкоторых информация представляется в виде точки или малой светящейся области(неоновые индикаторные лампы и индикаторы малых уровней напряжения); знаковые,в которых информация представляется в виде различных знаков, образуемыхсветящимися электродами, имеющими отдельные выводы; линейные (аналоговые идискретные), в которых информация представляется в виде светящегося столбика(длина его пропорциональна силе тока, протекающего через прибор) или в видесветящейся точки (положение точки определяется числом импульсов, поданных навход устройства, управляющего работой индикатора); матричные, в которыхинформация представляется в виде совокупности светящихся точек на плоскомэкране, состоящем из нескольких десятков тысяч газосветных ячеек, образующихматрицу из рядов и столбцов.

Условно-графическое изображение газоразрядногоиндикатора.
К недостаткамгазоразрядных индикаторов, следует отнести высокиенапряжения, низкую разрешающую способность, трудность получения всей цветовойпалитры.
Полупроводниковые индикаторыявляются одним из видов знакосинтезирующихиндикаторов (ЗСИ), под которыми понима­ются приборы, где информация,предназначенная для зритель­ного восприятия, отображается с помощью одного илисовокупности дискретных элементов (ГОСТ 25066-81).
ППИявляются активными знакосинтезирующими индикато­рами, в которых используетсяявление инжекционной электро­люминесценции. Явление электролюминесценции вполупровод­никовых материалах, т. е. излучение света р-nпереходом,было впервые обнаружено и исследовано в 1923 г. О. В. Лосевым. Дальнейшиеисследования отечественных и зарубежных ученых в 60 — 70-х годах позволилиисследовать и определить перечень полупроводниковых материалов, обладающихвысокой эффектив­ностью преобразования электрической энергии в световую.Полученные значения светотехнических параметров позволили создать ППИ,пригодные для практического применения.

Условно-графическое изображение полупроводниковогоиндикатора.
Излучениегенерируется либо внутри полупроводникового элемента в одноступенчатом процессеизлучательной рекомбина­ции электронов и дырок, либо в результате более сложныхдвухступенчатых процессов генерации инфракрасного излучения внутриполупроводникового элемента с последующим возбуж­дением внешнего слояантистоксового люминофора. Из-за малого КПД второй способ люминесценции неполучил широкого распространения при проектировании полупроводниковых инди­каторов.
Преимуществоперед другими видами ЗСИ. Основными из них являются:во-первых, полная конструктивная и технологическая совместимость с ин­тегральнымимикросхемами (т. е. совместимость управляющих напряжений ППИ с амплитудамилогических уровней ИМС) и, во-вторых, возможность выпуска ППИ в видеограниченного количества унифицированных модулей.
Шифр04     Задача 10    Вариант6
Дано:R=1кОм, С=3мкФ, на вход цепи подаются положительныеимпульсы tи=15мс.
Определитьтип фильтра и его граничную частоту, построить АЧХ, эпюру выходного напряжения.
Схемафильтра:

Формавходного сигнала:

1.Определяемтип фильтра и его граничную частоту.
ВЧRC-фильтр
Граничнаячастота:
Гц
Амплитудно-частотнаяхар-ка ВЧ фильтра:
К=│Uвых/Uвх│=
где τ = RC= c=3мс постоянная времени цепи
ω=2πf
Выходное напряжение: Uвых= Uвх- Uс ;
Uс изменяется по экспоненциальномузакону (заряд и разряд конденсатора), то Uвых имеет вид

Uвых.(0)= Uвх.(tи),длительность переходного процесса равна ≈3 τ
Шифр04     Задача 11    Вариант2
Дано:
Схема усилительного каскада собщим эмиттером, тип тра-ра КТ912А, ВАХ транзистора,
Uп= 9В,
амплитуда Ег=15мВ,
Rк=680 Ом,
Rэ=180 Ом,
R1= 68кОм,
R2= 7,5 кОм.
Требуется определить рабочийучасток нагрузочной прямой, макс. значение амплитуды входного сигнала, значениекоэффициента усиления по току, наибольшее амплитудное значение тока входногосигнала, режим работы каскада, возможный диапазон КПД и нелинейных искажений,определить нормальность работы транзистора; нарисовать эпюру выходногонапряжения, если входное напряжение-синусоидальное.

Схема усилительного каскада
Нагрузочная прямая проводитсячерез току Uкэ=Uп=9В на оси ординат выходной ВАХ транзистора и черезточку Iк= Uк/Rк=9/680=0,0132А=13,2мА на оси абсцисс. В этом случаетранзистор постоянно находится в режиме отсечки. Для работы в линейном режимеизменим величину Rк. Принимаем Rк= 0,68 Ом, тогда Iк= Uк/Rк=9/0,68=13,2 А.Через точку Iк=13,2 А и точкуUкэ=9 В проводимнагрузочную прямую.
Рабочий участок нагрузочнойпрямой отрезок АВ.
 Максимальная амплитуда входного сигнала:
Uкэ mmax=8,1-2,5/2=2,8В
Коэффициент усиления по току:
Β=h21э=Uкэ=const=, определён при Uкэ=5,8В
Наибольшее амплитудноезначение тока входного сигнала:
Iвх mmax=
Режим работы транзистораопределяется положением рабочей точки. Резисторы R1, R2 представляютсобой делитель напряжения, создающий на базе транзистора Uб.0
 отсюда  В
По входной хар-ке находимIбо=165 мА
По выходным хар-ам определяемUкэ.о= 4,5 В, Iк.о=6,5 А
Амплитуда напряжения Б-Э: Uб.m=Ег=0,015 В
Усилительный каскад работаетв режиме А, т.к. при синусоидальном входном напряжении выходной сигнал такжеимеет синусоидальную форму, нелинейных искажений практически не возникает. Токколлектора протекает в течении всего периода изменения Uвх= Uб. Наколлекторе рассеивается мощность Рк= Uэ.о *Iк.о=4,5*6,5=29,25 Вт. Предельно допустимые значения Ркравно Рк max= 30 Вт, т.е. режим работытранзистора считается нормальным, т.к. выполняется условие:
Рк ≤ Рк max
Мощность выходного сигнала:
Рвых.=
Iк.m=0,5А; Uкm=0,4 В, которые были определены по ВАХ для Uб.о.=0,015 В
КПД каскада в заданномрежиме:

КПД возможно увеличить, еслиуменьшить Uб.о., для этого нужно уменьшитьсопротивление R2. Так как амплитуда входногонапряжения маленькая, то коэффициент нелинейных искажений увеличится ненамного.
При Uб.о.=0,5 В значения остальных хар-ик составят:
Iк.о=50 мА, Uкэ.о= 6,8 В ,Iк.о=3 А, Рк max= Uкэ.о* Iк.о=6,8*3=20,4 Вт
При Uб.о.=0,3 В
Iк.о=25 мА, Uкэ.о= 7,6 В ,Iк.о=2 А, Рк max=15,2 Вт
При увеличении амплитудывходного сигнала КПД увеличивается, коэффициент нелинейных искаженийвозрастает, т.к. при большом значении Uб.m. отрезок входной ВАХ от Uб.minдо Uб.max уже нельзя считать линейным.
Iб.о=165 мА, Uб.о.= 0,894 В ,Iк.о=6,5 А ,Uкэ.о= 4,5В максимальная величина Uб.m, при которойусилитель работает в классе А составляет примерно 0,5 В
Шифр04     Задача 12    Вариант3
Дано:
Схемакаскада, форма входного сигнала синусоидальная.
Какизменится сигнал на выходе усилительного каскада или его АЧХ при значительномизменении элемента С1.

Увеличение ёмкости С1приведёт к уменьшению граничной частоты ВЧ-фильтра на входе усилительногокаскада

Чембольше ёмкость С1, тем меньше fгр.
 
 
 
 
Шифр04     Задача 13    Вариант8
Дано:Схема опыта, результаты опыта.
Определитьпоказания вольтметра PV3, определитькакую математическую операцию может выполнять схема.

Опыт №1
Опыт№2
К
U1, мВ
U2, мВ
Uп1, мВ
Uп2, мВ
U1, мВ
U2, мВ
Uп1, мВ
Uп1, мВ
1
3
6
-6
5
-7
10
-10
10³
Опыт №1
PV3=│ Uвых│=К*│U1-U2│=│1-3│*10³=│-2│*10³=2В
Линейный режим усиления, т.к.Uп1>│U1-U2│, выполняется математическая операция -умножение: Uвых=К*(U1-U2)
Опыт№2
К*│U1-U2│=│5-(-7)│*10³=│12│*10³=12В
PV3=Uп1=10 В
Uп1
нелинейный режим усиления
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шифр 04     Задача 14    Вариант0
Дано: математическая функцияинтегрирование. Аргумент 1 cos(ωt).
Нарисовать принципиальнуюэлектрическую схему на базе операционного усилителя и эпюры выходногонапряжения.
Принимаем аргумент 1 cos(ωt)=U1, тогда схема имеет вид: