Импульстік қуат көздері

ҚР БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

 

Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

 

Курстық жұмыс

«Микроэлектроника және оптоэлектроника» пәні «Импульстік қуат көздері» тақырыбы бойынша

                                               Топ: РЭТ-27

Студент: Турдибеков Руслан

  Мамандық: Радиотехника, электроника, телекоммуникация

Қабылдаушы: Жармакин Болатхан

 

 

 

АСТАНА 2014

 

Импульстік техника – электр импульстері параметрлерін генерациялаудың (қалыптастырудың) теориялық негізін, практикалық әдістері мен техникалық құралдарын жасау, түрлендіру және өлшеу, сондай-ақ, электр тізбектеріндегі импульстік процестерді зерттеумен (негізінен, автоматикада, есептеу техникасында, радиоэлектрониканың түрлі облыстарында, электр техникасында, экспериментальдік физикада) айналысатын техниканың саласы.

Импульстік техника әсер ету мерзімі мен түрі әр түрлі (кернеу не ток түріндегі) электр импульстерін пайдаланады. Импульстік сигнал үздік-үздік болады да, амплитудасы мен әсер ету мерзімінің ұзақтығына байланысты ажыратылады. Бұл сигналдардың параметрлері қолданылып отырған приборлардың жұмыс ретіне, қолдану мақсатына сәйкес әр түрлі мөлшерде болады. Атап айтқанда, телемеханика, есептеу техникасы салаларындағы импульстік сигналдардың қуаты 1 мкВт болса, радиолокация саласында сигналдардың қуаты ондаған МВт-қа дейін жетеді, ал ұзақтығы 0,1 – 1 с-тен (автоматикада) 1нс-ке (шапшаң бөлшектер физикасында, есептеу техникасында) дейін. Орташа қуатты импульстік құрылғы импульс аралығындағы уақытта мол энергия жинақтап үлгеретіндіктен өте қуатты энергия көзі бола алады. Импульстік құрылғылар шала өткізгіш приборлар мен электрондық шамдар, газ разрядты приборлар мен магниттік өзекшелерге негізделген элементтерден жасалады. Бұл элементтер электр импульстерін тудыру, олардың түрін, сипаттамаларын өзгерту, импульстерді белгілі уақытқа тежеп кешіктіру, импульстерді бөліп алу, т.б. жұмыстар атқарады. Импульстік процесс пен импульстік сигнал радиотехниканың барша салаларында пайдаланылады. Импульстік құрылғылар радионавигация, радиоастрономия, т.б. салаларда қолданылады. Қазіргі кездегі компьютерлердің жұмысы да импульстік процестерге негізделген. Импульстік техниканың өндірістік процестерді кешенді автоматтандыру мен механикаландыру ісінде маңызы зор. Импульстік әдістер автоматты басқару және бақылау, заттың сапасын тексеру, электрлік және электрлік емес шамаларды өлшеу, электр желілерінің бүлінген жерін іздеп табу, атом. физикада элементар бөлшектер мен “таңбаланған атомдарды” санау және тіркеу, физиологиялық процестерді зерттеу, қысқа мерзімді процестерді суретке түсіру, алыстан басқару, т.б. процестерге пайдаланылады

 

 

 

 

 

                            

 

                           Тесла трансформаторының қарапайым схемасы

 

 

 

 

 

 

 

Шектеуіштер

    

           Автоматтық және сандық (цифрлық) құрылғылардың элементтерінің ішінде жұмыс істеу принципін және жұмысын сипаттауда сигналдардың аналогтық түрдегі кескіндеуін де қолдануға тура келетін объектілер тобы кездеседі. Бұндай элементтер аналогтық және сандық элементтердің аралық звеносын құрайтын импульстік  элементтерге жатады. Осылардың ішінде бізді көп қызықтыратыны  импульстік сигналдардың генераторлары мен қалыптастырушылары болыа табылады.   Импульстік сигналдардың параметрлерін стандартқа келтірушілер - қалыптастырушылар (формирователи) кез келген сандық МС-ның міндетті құрамдас бөлігі болып келсе, ал тактілік сигналдардың генераторларынсыз  қандай да болмасын күрделі сандық басқару құрылғысының жұмыс істеуі мумкін емес .

     Сигналдардың амплитудасын шектеуіш, немесе жай шектеуіш деп кіріс кернеуі шектеу табалдарығы деп аталатын мәннен асқан кезден бастап шығыскернеуінің өзгерісі тоқтайтын төрт ұштықты айтады.

      Қарапайым шектуіш  диод, резистор және кернеудің идеал көзі тізбектеліп қосылған тізбек (15.1, а- сурет) болып табылады. Кіріс және шығыс кернеудің     және б-суреттерде көрсетілген. Кіріс және шығыс кернеудің  диаграммалары  15,1 ә- және б- суреттерде көрсетілген. 

15.1 - сурет

Графиктен көрініп турғандай (15.1, б-сурет) теріс таңбалы кернеу тізбектен таңбалы кернеу тізбектен ешқандай шектелмей өтеді, ал оң таңбалы кернеу ашық диодқа түсетін кернеу деңгейінде шектеледі (негізінен p-n өткелдің контактілік потенциалдар айырымымен анықталады), яғни uшығ = uкір - uR = uД және бұл диодтың типіне байланысты 0,10,6 В-қа тең.

      Бір полярлы (біржақты)  шекиеуіш тағы бір диод қосып  екі жақты шектеуіш  ((15.1, а-сурет) жасауға болады. Бундай шектеуіштің шығыс кернеу

 

 

                                       а)

                                          б)

                                                  15.2 -сурет

диаграммасы 15.2, ә-суретте көрсетілген. Осындай шектеуіштер автоматика және ЕТ сұлбаларында тізбектерді импульстік кездейсоқ кедергілерден (помеха) және электростатикалық разрядтардан қорғау үшін кең қолданылады.  Егер шектеу табалдырығы вольттің үлестерінен үлкен болу керек болса (бірлік вольттардан, жүздеген вольтқа дейін ), онда шектеуішті стаблитрондардан құрастырады. Стаблитрондарда жасалған біржақты және екі жақты шектеуіштердің сұлбалары және беріліс сипаттамалары 15.3 - суретте көрсетілген.

 

                                       

                                                        15.3-сурет

            Диодты шектеуіштерде түрлендірілетін сигнал әлсірейді (шығыс сигналдың қуаты кіріс сигналдың қуатынан аз). Сондықтан бұндай рұқсат етілмейтін жағдайларда кілттік элементтер негізіндегі күрделірек транзисторлы шектеуіштер қолданылады. 

 

 

Транзисторлы кілттер

      Сандық техниканың ең көп тараған элементтерінің бірі басқарушы сигналдардың әсерімен жүктеменің тізбегін ауыстырып қосуға (коммутацияға) арналған кілттік элемент (кілт) болып табылады. Механикалық кілттердің мысалына кәдімгі ажыратқыш (тумблер, кнопка) жатады(15,4-сурет) [26]

                                 

                                                       15.4-сурет

            

 

 Электрондық кілттік құрылғыларда  коммутациялық элемент ретінде, көбінесе транзисторлар қолданылады. Транзисторлық кілтте механикалық  сияқты екі күйдің бірінде : ажыратылған (транзистор жабық), немесе тұйықталған (транзистор ашық) күйде бола алатын  элемент болып табылады.

       Қарапайым транзисторлы  кілт 15.5-суретте көрсетілгендей  сұлбамен жиналады. Бұның жұмысын  Uшығ = f(Uкір) тәуелділігінің көмегімен сипаттап жазуға болады. Транзистордың табалдырықтық  UT ≈ 0,5 B  кернеуінен кем

                                                           

                                                                                                

Uкір = Uбэ  кіріс кернеуінде транзистор жабық, коллекторлық ток ік ≈ 0, сондықтан Rк - да кернеудің тусуі болмайды және Uшығ ≈ Еқ  (диаграмманың АА' бөлігі). Бұл кейде кілт жабық деп саналады.  Uкір  артып UT  мәніне жеткен кезде  транзистор ашыла бастайды, оның кедергісі кемиді, коллекторлық то өседі, ал шығыс кернеу                   Uшығ =  Еқ - ік Rк түсе бастайды. Бұл кілттің бірте-бірте ашыла ьбастау күйі(АВ бөлік) өтпелі процесс деп аталады. Кіріс кернеуді одан ары қарай арттыра отырып  Uкір  ≈ 0,7 В-қа жеткенде транзистор қанығу режиміне  ауысады (В нүктесі) және қанығу күйіне сәйкес келетін ВВ' бөлігінде кілттің шығыс кернеуі Uо(~0,1 В) болады. Бул куйде кілт ашық деп есептеледі.

        Кілттің шығысында  шығыскернеудің мәндерінің  максимал  айырмашылығы болу үшін басқарушы  кіріс кернеудің  Uкір = U1 (кілт ашық) деңгейлері кесіп тастау (отсечка) және қанығу режимдеріне сәкес болуы тиіс. Дегенмен реал құрылғыларда кілттің кірісінде Uо және  U1 басқарушы сигналдардан басқа амплитудасы Um кед кедергі(помеха) де пайда болуы мүмкін. Сигналдардың кернеуімен қосыла отырып, кедергі жабық транзисторды ашып, немесе ашық транзисторды жауып қоятындай кіріс кернеуді арттырып, немесе азайтып жіберуі мүмкін. Осыдан беріліс сипаттамасы мынаны көрсетеді: кілттің кедергіге төзімділігін арртыру үшін U1-арттырып және Uо-ді төмендету қажет.

Кілттің кірісіне идеал тікбұрышты  импульсті бергеннің өзінде де кілттің күйінің өзгерісі  лезде болмайды. Сыйымдылық жүктемеге жұмыс істегенде ажыратудың ұзаққа слзылуы және шығыс кернеудің  Rж шамасына күшті тәуелділігі байқалады . Қарапайым кілттің осындай кемшіліктерінен құтылуға ұмтылу күрделірек құрылғылардың - құрамдас кілттердің пайда болуына әкеп соқты. Эфектке жету бойынша құрамдас кілт, механикалық кілт - тумблердің эквиваленті болып табылады.  Биполяр транзисторлардағы құрамдас кілттердің ішінде үш транзисторлы кең таралған.

 

 

 

Мультивибраторлар

    Мультивибраторлар - ғылым мен техникада көп кездесетін инженерлік мәселелерді шешкен кезде электрлік емес мәндерді электрлік мәндерге түрлендіріп өлшегенде, технологиялық прцесстерді тексеріп және автоматизация жасағанда, немесе әртүрлі өнеркәсіптік электрониканың қондырғыларын жасағанда электрлік сигналдарды күшейту үшін биполярлық транзисторлар, өрістік транзисторлар және интегралдық микросхемалар кеңінен қолданылады. Бұл күшейткіштер өте әлсіз электрлік сигналдарды (кернеулері 10-7 В, токтары 10-14 А шамалас) күшейтуге мүмкіндік береді. Транзисторлар арқылы аса үлкен күшейтуге жету үшін бірнеше күшейткіш каскадтар қолданылады. Бір транзистордан немесе күшейткіш элементтен және оған қарасты байланыс элементтерінен тұратын күшейткішті − каскад деп атайды. Күшейту процесі, қоректену көзінің энергиясын күшейткіштің сыртқы сигналының энергиясына түрлендіру болып табылады. Бұл процесті басқару күшейткіш элементіне немесе транзисторға әсер ететін кірме сигнал арқылы жүргізіледі. Шығыс сигнал кіріс сигналдың функциясы болып табылады, сонымен қатар шығыс күшейтілген синалдың қуаты, кіріс күшейтілген сигналдың қуатынан қректену көзінің арқасында, әлдеқайда артық.

Сонымен, электрондық күшейткіш деп электрлік сигналдарды, олардың формасын өзгертпей, қоректену көзінің энергиясының арқасында, қуатын ұлғайтып, күшейтетін құрылғыны айтады. Транзисторлық күшейткіштің электорондық деп аталу себебі, транзисторлардың жұмыс істеу принципі жартылай өткізгіштегі жүріп жататын электрондық процесстермен анықталады. Күшейткіштің кірісіне электр қозғаушы күшінің (ЭҚК) әрекеттестік мәні er, ішкі кедергісі Rr, кіру сигналының көзі қосылған. Кішкене қуатты кіру сигналы жоғары дәрежедегі қуаты бар қоректену көзін пайдалана отырып, кіріс сигналдың қуатын күшейтуге мүмкіндік бар.

Күшейткіштің шығыс тізбегінде күшейтілген сигнал әрекет етеді. kUкір кернеу көзімен анықталады. Күшейтілген сигналдың энергиясын пайдаланатын сыртқы жүктеме Rж күшейткіштің шағысына қосылады. Күшейтілген сигналдың түріне қарай күшейткіштерді екі топқа бөлуге болады:

Гармоникалық сигналдардың күшейткіштері – әртүрлі шамадағы және формадағы гармоникалық және квазигармоникалық (гармоникалық деп есептеуге болатын), яғни периодтық сигналдарды күшейтуге арналған. Мұндай күшейткіштерге: микрофондық, трансляциялық және формадағы периодтық емес сигналдарды күшейтуге арналған.

Импульстық сигналдардың күшейткіштері − әртүрлі шамадағы және формадағы периодтық және периодтық емес сигналдарды күшейтуге арналған. Импульстық күшейткіштерге: байланыс жүйелерінің импульстық күшейткіштері, теледидар бейнелеу сигналдарының, импульстық радиолокациялық құрылғылардың, электрондық есептеу техникасы негіздерінің, реттеу және басқару жүйелерінің күшейткіштері жатады.

Күшейтілген жиіліктерінің абсолюттік мәндеріне және жиілік жолағына ұзындығына (диапозонына) байланысты күшейткіштер: Тұрақты ток күшейткіштері − төменгі жиілігі ден жоғары жиілігі кГц-ке дейінгі жиілік жолағындағы электлік сигналдарды күшейтуге арналған.

Төменгі жиілік күшейткіштері − Гц-тен кГц-ке дейінгі жиілік жолағындағы айнымалы ток сигналдарын күшейтуге арналған. Жоғары жиілік күшейткіштері − кГц-тен МГц –ке дейінгі жиілік жолағындағы сигналдарды күшейтуге арналған. Кең жолақты және импульстық күшейткіштері − бірнеше кГц-тен − бірнеше МГц –ке дейінгі жиілік жолағындағы сигналдарды күшейтуге арналған.

     

                                

                       Қарапайым транзисторлік мультивибратор

 

    Автогенераторлардың  принципті түрдегі әртүрлі типтегі екендігі белгілі. Солардың ішінде автоматтық жүйелерде уақыт интервалдарын бөлгіштер көп қолданылады.

       Автоматика жүйелерінде  және электронды - есептеуіш техникада RC - түріндегі уақыт беруші элементтердегі релаксациялық генеретор кең қолданыс тауып отыр. Мультибибраторлар деп аталатын генератордың басқа генераторлардан артықшылығы,  оның тіктөртбурышқа жуық импульстік сигналдар беруі және онда интегралдық  технологиямен үйлесуі нашар индуктивтік элементтердің болмауы .                                                                                     

     Биполяр транзисторда Дайындалған симметрялы мультивибратордың сұлбасы 15.7 - суретте көрсестілген.

                                                                              

                                                                 15.7 - сурет

           Т1 және Т2  транзисторларының коллекторындағы жүктемелері Rк және базаларындағы кедергілер R6  бірдей.  Сонымен бірге сыйымдылықтары бірдей С1 және С2  конденсаторлар 1- ші транзистордың коллекторын екінші транзистордың базасымен және керісінше, екінші транзистордың коллекторын бірінші транзистордың базасымен қосады. Симметриялы транзистордың жумыс істеу  принципин қысқаша былай сипаттауға болады.  Кернеуі Еқ тұрақты ток көзіне қосылған соң Rк және R6  кедергілер арқылы транзистордың базаларына, эмиттерлеріне қарағанда теріс болатын потенциалдар беріледі. Егер сызбадағы конденцаторлар болмаса, екі транзисторда ашылып, олар арқылы өтетін токтың шамасы коллектордағы жүктемелер бойынша   ib=   анықталар еді. Себебі, тура бағытта қосылған эмиттерлік  p - n ауысудың кедергісі, база тізбегіндегі кедергілерге қарағанда әлдеқайда аз.  Транзисторлар арасындағы сыйымдылықтар арқылы жасаған оң байланыстар жағдайды мүлде өзгертіп жіьереді. Транзисторларды қаншалықты бірдей етіп таңдап алғанымызбен, олардың элекьрлік сипаттамалары абсолют бірдей болмайды. Сол сияқты конденсаторлар тізбегіндегі кедергілердіңде аздаған айырмасы болуы мүмкін. Ток көзіне қосылғаннан кейін транзистордың екуінде де ток пайда болады, бірақ олтоктардың өзгеруі (өсу) жылдамдықтары бірдей болуы мүмкін емес. Коллектор тізбегінде ток артқан сайын, коллектор жүктемелеріндегі кернеудің түсуі де артады. Нәтижесінде Коллектордың потенциалы жоғарылайды. Бірінші транзистор коллекторындағы потенциалдың оң өзгерісі,  С1  сыймдылық арқылы екінші транзистордың базасына беріледі. Керісінше, екінші транзистордың коллкторындағы оң потенциал, С2 арқылы бірінші транзистордың базасына беріледі. Екі транзистордың сипаттамалары бірдей болмағандықтан, олардың біріндегі токтің өсуі, екіншісіне қарағанда тезрек болады.  Мысалы, бірінші транзхистордағы ток жылдам өседі дейік. Олай болса, белгілі бір уақыт сәтінен бастап, бірінші транзистрдың коллекторынан келетін оң потенциал, екінші транзистордың базасындағы теріс потенциалдан артып кетеді.  Бұл екінші транзистордың жабыла бастауына әсер етеді. Осы сәттен бастап, екінші транзистордың коллектор ток азая береді. Екінші транзистордың коллектор тізбегіндегі токтің азаюы, оның тізбегіндегі Rк2 кедергісіндегі кернеудің түсуін азайтады. Екінші транзистордың коллектордағы потенциалдың кемуі, С2 арқылы бірінші транзистордың  базасына беріледі. Базадағы теріс потенциал бірінші транзистордың одан әрі ашылуына көмектеседі.  Сөйтіп бірінші транзистор тізбегіндегі ток күрт өседі де, өз кезегінде оның коллекторындағы потенциалдың одан да жоғары көтерілуіне әкеліп соғады. Потенциалдың оң өрісі С1 арқылы екінші транзистордың одан әрі жабыла түсуіне көмектеседі.