в. м. ХАРЧЕНКО
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Допущено Министерством высшего и сред-
него специального образования СССР в
качестве учебного пособия для учащихся
неэлектротехнических специальностей сред-
них специальных заведений
Scan Pirat
ЕЭ
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1982
ББК 32.85
Х22
УДК 621.38(075.32)
Рецензенты: И. А. Данилов, Н И. Захаров
Харченко В. М.
X 22 Основы электроники: Учеб, пособие для техни-
кумов.— М.: Энергоиздат, 1982.— 352 с., ил.
Данная книга соответствует второй части новой программы курса
<Общая электротехника с основами электроники». В ней изложены
устройство и принцип действия электровакуумных, газоразрядных, по-
лупроводниковых н фотоэлектронных элементов, рассмотрены элект-
ронные выпрямители, усилители, генераторы и измерительные прибо-
ры, приведены основные сведения об электронных элементах автома-
тики, вычислительных машинах н автоматических системах
Для учащихся техникумов иеэлектрических специальностей.
2403000000-207
X----------—— 149-82
051(01)-82
ББК 32.85
6Ф0.3
ВАСИЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ ХАРЧЕНКО
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Редактор й А Попов
Редактор издательства Н. Б. Фомичева
Технический редактор А С. Давыдова
Корректор М. Г. Г у л и н а
ИБ № 2869
Сдано в набор 14 10 81. Подписано в печать 30 07 82 Т-00340 Формат
84ХЮ8’/з2 Бумага типографская № 2. Гарн шрифта литературная.
Печать высокая. Усл печ л 18,48. Уч -изд л 20,51. Доп тираж,
130 000 экз. Заказ № 107. Цена в пер. № 7 — 90 к, в пер № 5 — 75 к.
Энергоиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб , 10
Владимирская типография <Союзполиграфпрома» при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли
600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7
© Энергоиздат, 1982 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроника оказывает огромное влияние на научно-
технический прогресс и проникает все глубже во все
сферы народного хозяйства нашей страны. Электронные
устройства используются в промышленности и сельском
хозяйстве, в быту и медицине, электроника помогает
людям повышать производительность и культуру труда.
Элементной базой многих автоматических устройств
являются полупроводниковые, электровакуумные, газо-
разрядные и фотоэлектрические приборы; физическим
процессам в них, их устройству и основным характерис-
тикам в данной книге отводится значительное место.
В книге соблюден диалектический порядок рассмот-
рения проблем — ог простых к сложным, ог конкрет-
ных активных и пассивных компонентов — к завершен-
ным самостоятельным изделиям. В соответствующих
главах показано, как из отдельных простых элементов
создаются электронные устройства любой сложности
для выполнения определенных функций.
Терминология, определения, единицы измерения, ус-
ловные обозначения элементов соответствуют действую-
щим стандартам или заимствованы из наиболее автори-
тетных источников. В список литературы включены наи-
более доступные для учащихся книги.
Работа над книгой сопровождалась критикой, дискус-
сиями, обсуждением отдельных ее мест. Особенно по-
лезные советы и замечания были сделаны кандидатами
техн, наук А. Д. Дудыкиным, Л. Н. Бочаровым, И. А. Да-
ниловым, П.М. Ивановым, В. Ф. Приходько и В. Н. Голь-
цовым; ценные предложения внесли инженеры А. Г, Бар-
1*
3
суков, Л. Н. Громов и В. В. Масленников. Большую
помощь в оформлении рукописи оказала преподаватель
Московского строительного техникума Т. В. Никитина.
Автор также выражает свою искреннюю благодарность
канд. техн, наук И. А. Данилову и Н. И. Захарову за
большой труд по рецензированию и канд. техн, наук
П. А. Попову за тщательное редактирование рукописи.
Предложения, замечания и пожелания по улучшению
книги или отдельных ее глав будут приняты с благодар-
ностью и в максимальной степени учтены в дальнейшей
работе над книгой. Просим направлять их по адресу:
113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоиздат.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Электроникой называют одну из разветвленных от-
раслей электротехники, которая реализует знания (нау-
ку) об электрофизических свойствах и процессах в полу-
проводниках, диэлектриках, в вакууме, плазме и т. д.
при создании и использовании разнообразных изделий с
электронными компонентами. На основе этой науки ор-
ганизована электронная промышленность с автоматизи-
рованными технологическими процессами и осуществля-
ется эксплуатация электронной техники.
К изделиям электронной техники относятся промыш-
ленные установки с электронными машинами и устрой-
ствами для народного хозяйства и общественно-быто-
вого назначения: автоматическое технологическое обо-
рудование, радио- и телевизионная аппаратура, меди-
цинские электронные аппараты, электронные вычисли-
тельные машины, электронные нагревательные приборы
и т. д.
СССР является страной высокоразвитой электрони-
ки. Благодаря неослабному вниманию КПСС и Совет-
ского правительства в нашей стране за годы советской
власти создана современная электронная промышлен-
ность. За эти годы подготовлены высококвалифициро-
ванные научные и инженерные кадры, способные разра-
батывать, изготовлять и эксплуатировать самые совер-
шенные электронные приборы для нужд народного
хозяйства и обороны страны. Отечественные ученые
внесли огромный вклад в развитие теоретических основ
электроники.
Согласно сообщению ЦСУ СССР на промышленных
предприятиях только в 1980 г. установлено 12 тыс. ме-
ханизированных поточных и автоматических линий,
комплексно механизировано и автоматизировано более
5 тыс. участков, цехов и производств; создано 520 авто-
матизированных систем для учета, планирования и уп-
равления, в том числе 380 АСУ ТП; произведено прибо-
ров и средств автоматизации на 5,4 млрд. руб. и средств
вычислительной техники на 4,5 млрд, руб.; изготовлено
5
более 16 млн. телевизоров, радиоприемников, магнито-
фонов, много электронных приборов для сельского хо-
зяйства, медицины и бытовых нужд («Правда», 24 ян-
варя 1981 г.).
Элементной базой электроники являются активные
и пассивные компоненты (элементы). Под активными
компонентами подразумеваются электронные лампы и
полупроводниковые детали, под пассивными — резисто-
ры, конденсаторы, трансформаторы, индуктивные ка-
тушки и т. д. Из компонентов состоят выпрямители, уси-
лители, генераторы, триггеры, счетчики и другие узлы
автоматических устройств и вычислительной техники.
Завершенными считаются изделия, предназначенные для
выполнения конкретных функций. Это радио- и теле-
приемники, магнитофоны, электронные вычислительные
машины и т. д.
Электроника возникла в конце XIX—начале XX вв.
первоначально для удовлетворения потребностей бурно
развивающихся средств связи—для генерирования,
усиления и преобразования сигналов. Прообразом элект-
ровакуумных приборов служит электрическая лампа с
нитью накаливания, изобретенная в 1872 г. русским уче-
ным А. Н. Лодыгиным. На ее основе была обнаружена
термоэлектронная эмиссия — испускание электронов
накаливаемыми проводниками в вакууме. Профессор
Московского университета А. Г. Столетов открыл в
1888 г. явление фотоэлектронной эмиссии. Работы Ло-
дыгина, Столетова, Эдиссона, Флеминга и других иссле-
дователей привели к созданию в 1904 г. двухэлектрод-
ной лампы — диода. Развитие электроники было стиму-
лировано также работами русского ученого А. С. Попова,
впервые в мире осуществившего в 1895 г. передачу
и прием радиосигналов.
В 1907 г. был создан триод, а затем и электронные
лампы с большим числом электродов. Электронные лам-
пы сказались очень удобными компонентами, и их стали
применять в различных типах радиоэлектронной аппа-
ратуры (РЭА). Один из первых усилителей был предло-
жен в 1909 г. В. И. Коваленковым. В этом усилителе
использовалось свойство анодного тока изменяться в
зависимости от степени накала катодной нити усиливае-
мым сигналом. В 1910 г. В. И. Коваленков изготовил
макет усилителя на триоде, который был затем проде-
монстрирован на Всероссийской выставке.
6
Первые отечественные вакуумные триоды для усиле-
ния сигналов изготовили в 1 914—1916 гг. независимо
друг от друга Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевич.
Однако из-за отсутствия в дореволюционной России ра-
диотехнической промышленности изобретения как этих,
так и других ученых реализованы не были.
Начало развития электроники в СССР было положе-
но декретом, подписанным В. И. Лениным «О центра-
лизации радиотехнического дела» от 21 июня 1918 г.
Созданная в том же 1918 г. по указанию В. И. Ленина
Нижегородская радиолаборатория объединила боль-
шинство радиоспециалистов того времени под руковод-
ством М. А. Бонч-Бруевича. Сотрудники этой лаборато-
рии Б. А. Остроумов, А. М. Кугушев, Н. А. Никитин,
П. А. Остряков и другие разработали несколько типов
электронных ламп различной мощности для генерирова-
ния колебаний. Большим техническим достижением бы-
ло изобретение М. А. Бонч-Бруевичем мощной генера-
торной лампы с водяным охлаждением, за рубежом ана-
логичные лампы появились значительно позже. Успешно
завершились работы А. Л. Минца, Н. Н. Огайова и
А. М. Кугушева по созданию крупных электронных ламп
разборной конструкции. Нижегородская радиолаборато-
рия изготовила кроме ламп много радиопередатчиков и
радиоприемников.
Несколько позже было организовано массовое произ-
водство разнообразных электронных ламп в Ленинграде
на электровакуумном заводе (ныне завод «Свет-
лана»). Значительных результатов достигли А. А. Чер-
нышов, М. М. Богословский, В. И. Волынкин, С. А. Век-
шинский и другие наши ученые в исследованиях, прове-
денных в Ленинградском электротехническом институте.
Значительным вкладом в теорию усиления сигналов
являются учебники и монографии М. А. Бонч-Бруевича,
Г. С. Цыкина, Г. В. Войшвилло, С. Н. Кризе и других
отечественных ученых.
Совершенствование электронных ламп проходило ус-
пешно, расширялся их ассортимент, улучшалось качест-
во, повышалась надежность. Ламповая электроника
полностью отвечала техническим запросам того време-
ни. В годы первых пятилеток электронная промышлен-
ность (в то время — радиопромышленность) произвела
много радиостанций, позволивших осуществить радио-
связь по всей нашей стране. Наряду с производством
7
электровакуумных ламп создавались газоразрядные при-
боры.
Мощные ртутные выпрямительные вентили были
разработаны в Нижегородской лаборатории под руко-
водством В. П. Вологдина. Газотроны и тиратроны с
накаливаемым катодом появились в СССР в начале
30-х годов; вслед за ними стали изготавливать и прибо-
ры с холодным катодом. Большую роль в разработке
теории этих приборов сыграли Л. И. Каганов, М. А. Чер-
нышов, Д. А. Завалишин и другие ученые.
Первые кристаллический (полупроводниковый) уси-
литель и генератор были созданы О. В. Лосевым в
1922 г. в Нижегородской лаборатории. Однако эти при-
боры не отличались стабильностью характеристик, были
еще недостаточно надежными и мало обоснованными тео-
ретически. Эта разработка стимулировала дальнейшие
научные изыскания в полупроводниковой технике.
В первой пятилетке и в последующие годы в нашей стра-
не проводятся широкие исследования свойств полупро-
водников. Значительный вклад в теорию физики твердо-
го тела внесли Б. В. Курчатов, Б. И. Давыдов, А. И. Гу-
банов, Б. Т. Коломиец, Д. Н. Наследов и другие ученые
под руководством академика А. Ф. Иоффе.
Новым этапом в развитии элементной базы электро-
ники было появление транзистора — полупроводникового
прибора, технические характеристики которого значи-
тельно превосходили характеристики ламп. Его изобрели
в 1948 г. американские ученые Д. Бардин, У. Брат-
тейн н У. Шокли. Первые образцы транзисторов точеч-
ного типа в СССР разработаны в 1949 г. А. В. Красило-
вым и С. Г. Мадоян. С этого времени началось бурное
развйтие полупроводниковой техники; к 1968 г. было
создано более 50 разнообразных типов транзисторов,
много типов диодов, тиристоров и других полупровод-
никовых компонентов. За создание таких приборов
группа ученых во главе с акад. В. М. Тучкевичем была
удостоена Ленинской премии.
По сравнению с лампами транзисторы одинаковой с
ними мощности имеют значительно меньшие размеры и
массу, практически неограниченный срок работы, высо-
кую механическую прочность, невысокое питающее на-
пряжение и другие достоинства. Например, минимальная
мощность для работы электронной лампы составляет
0,1 Вт и более (для анодной цепи и накала), а для тран-
8
зистора она может быть равной 1 мкВт, т. е. в 105 раз
меньше.
Следующий этап повышения технического уровня как
элементной базы, так и завершенных изделий электрон-
ной аппаратуры обусловлен переходом на интегральные
микросхемы (ИМС). Функциональный состав1ИМСнепре-
рывно усложняется, количество их разновидностей бурно
возрастает, а стоимость снижается. Производства ИМС
основано на дальнейшем развитии и совершенствовании
технологических способов и процессов, общих для полу-
проводниковых приборов. Интегральная технология не
только породила новые варианты функционально завер-
шенных изделий, но и оказала глубокое влияние на все
этапы разработки, изготовления и эксплуатации элект-
ронной аппаратуры.
Теория и методы усиления, генерирования, преобразо-
вания электрических сигналов, применявшиеся ранее
только в технике связи, используются в настоящее время
в различных отраслях науки и техники, что обусловлено
необходимостью повышения производительности труда
при изготовлении продукции и возросшими требования-
ми к технической культуре производства и его безопас-
ности. Электроника стала основой электронно-вычисли-
тельных машин (ЭВМ) и проникла в автоматические
системы и устройства.
Электронно-вычислительные машины помогают лю-
дям в решении многих современных научных и техниче-
ских проблем. История создания вычислительных машин,
вначале простейших, затем все более сложных, уходит
в глубокое прошлое. Ими занимались в Древней Греции
и Римской империи, в Китае и Японии. Одной из первых
известных нам вычислительных машин является машина
Б. Паскаля (1642 г.); она предназначалась для сложе-
ния и вычитания простых чисел. Русский механик Волос-
ков в XVIII в. изготовил астрономические часы, произ-
водившие вычисления дней, месяцев и года. Знаменитый
арифмометр, применяющийся и в наши дни, создал рус-
ский инж. В. Т. Однер в 1874 г. Долгое время применя-
лись интегрирующие машины акад., проф. Петербургско-
го университета П. Л. Чебышева (1878 г) и акад.
А. Н. Крылова (1904 г.).
Первая ЭВМ «ЭнИак» была создана в США в 1947 г.,
она содержала 18 тыс. электронных ламп и 1,5 тыс.
электромеханических реле. В СССР первую ЭВМ изго-
9
товили в 1950 г. под руководством акад. С. А. Лебедева.
К настоящему времени парк отечественных ЭВМ насчи-
тывает десятки типов — от небольших карманных каль-
куляторов до крупных универсальных машин, как, на-
пример, ЕС ЭВМ-1060.
В развитие автоматики и вычислительной техники
вложен труд многих отечественных и зарубежных уче-
ных. Первый автоматический регулятор уровня воды в
котле был изготовлен в 1765 г. русским изобретателем
И. И. Ползуновым. Огромное влияние на разработку
теории автоматического регулирования оказали труды
выдающихся русских ученых И. А. Вышнеградского,
А. М. Ляпунова, Н. Е. Жуковского, а в советское время
И. Н. Вознесенского, Л. И. Мандельштама, А. А. Андро-
нова, В. В. Солодовникова и многих других. Они сфор-
мулировали основные принципы расчета автоматических
систем и критерии их устойчивости и качества.
Механические автоматические системы кроме боль-
ших размеров и массы обладали малым быстродействие
ем, невысокими долговечностью и надежностью. В со-
ветское время механические системы автоматического
регулирования все чаще стали заменять электрическими,
пневматическими и гидравлическими. В настоящее вре-
мя ни одна из систем немыслима без электронных бло-
ков.
В нашей стране автоматизация осуществляется путем
постепенного перехода от отдельных автоматических ма-
шин к их системам, к автоматическим станочным лини-
ям, цехам, заводам и электростанциям. Автоматизация
является важнейшим средством повышения производи-
тельности труда, улучшения качества продукции и, как
следствие, подъема жизненного уровня советского на-
рода.
Решениями XXVI съезда КПСС предусмотрено:
«...обеспечить ускоренное развитие производства средств
автоматизации управления машинами и оборудованием,
комплектных -электроприводов с тиристорными преобра-
зователями и микропроцессорами... Существенно увели-
чить производство автоматических манипуляторов с про-
граммным управлением, ...обеспечить выпуск новых
экономичных источников света с повышенными светоот-
дачей и сроком службы. ...Обеспечить ускоренное разви-
тие производства комплексов металлообрабатывающего
оборудования, оснащенных автоматическими манипуля-
10
торами; значительное увеличение выпуска металлообра-
батывающих станков с числовым программным управ-
лением...
В приборостроении повысить технический уровень
вычислительной техники, приборов и средств автомати-
зации на основе новейших достижений микроэлектрони-
ки... Опережающими темпами развивать производство
быстродействующих управляющих и вычислительных
комплексов, ...электронных устройств регулирования и
телемеханики... Расширить производство приборов... для
научных исследований, ...современных медицйнских при-
боров и аппаратуры...». (Материалы XXVI съезда КПСС,
М., Политиздат, 1981 г.)
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
1.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электронные лампы, как и газоразрядные приборы,
относятся к электровакуумным приборам. Электронной
лампой называется прибор (устройство), в котором ис-
пользуется движение электронов между электродами,
помещенными в вакууме. Существует много типов элек-
тронных ламп, различающихся по назначению, конструк-
ции, электрическим параметрам и другим признакам.
Электронные лампы применяются для преобразования и
усиления электрических сигналов, генерирования элект-
рических колебаний, стабилизации напряжения и тока,
формирования импульсов и для других целей.
Лампа состоит из герметичного баллона, в котором
смонтированы два или более электродов с выводами на
внешнюю часть баллона. В баллоне создано и поддер-
живается остаточное давление около 10-3—10~4 Па
(10~5—10~6 мм рт. ст.). Обязательными электродами
каждой из ламп являются катод и анод; во многих типах
ламп имеются и другие электроды. В лампах осущест-
вляется эмиссия электронов с поверхности катода и раз-
множение их в объеме или на других электродах, а так-
же управление как плотностью, так и направлением их
движения между электродами.
В лампах с большим остаточным давлением (10-2—
10+2 Па) поток заряженных частиц состоит из электро-
нов и ионов. Благодаря высокому вакууму уменьшается
сопротивление среды движению электронов. Высоким
считается вакуум, при котором средняя длина свободно-
го пробега электрона без встречи с молекулами газа
больше (или много больше) междуэлектродного проме-
жутка; такой вакуум достигается при давлениях газа
1(Н Па и менее. При этом плотность газа уменьшается
12
с 2,5-1019 (при нормальном атмосферном давлении) до
3-108 молекул/см3 (при давлении около 1(Н Па).
Управление потоком электронов осуществляют либо
электрическим, либо магнитным полем. В первом случае
к электродам лампы подводится управляющее электри-
ческое напряжение, во втором применяются индуктивные
катушки, создающие направленный магнитный поток,
пропорциональный току. В большинстве электровакуум-
ных приборов используется принцип управления посред-
ством электрического поля.
1.2.	ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПАХ
Атомы веществ состоят из положительно заряженных массивных
ядер и непрерывно вращающихся вокруг них электронов с отрица-
тельным зарядом. Количество электронов в атоме зависит от хими-
ческой природы вещества — места, занимаемого им в таблице
Д. И. Менделеева.
В соответствии с принципами квантовой механики электроны
двигаются вокруг ядра не по любым, а только по разрешенным тра-
екториям, образующим слои (оболочки), называемые орбиталями.
Число электронов во внешней орбитали определяет многие физико-
химические свойства вещества — химическую активность, валентность,
электропроводность и т. д. Каждому слою электронов (орбитали) со-
ответствует определенный уровень энергии. Наибольшей энергией
обладают электроны внешней орбитали атома — валентные электро-
ны. Отрыв электрона от атома или присоединение к нему лишнего
валентного электрона называется ионизацией атома; в первом случае
образуется положительный ион, во втором — отрицательный; переход
иона в состояние нейтрального атома называется деионизацией.
Нейтральным называется атом, у которого положительный заряд яд-
ра равен абсолютному значению суммарного отрицательного заряда
электронов. Электрон как элементарная частица обладает корпуску-
лярными и волновыми свойствами. Его условная масса покоя то =
= 9,1-1O~S1 кг, отрицательный заряд q = 1,602-10—19 Кл, отношение
заряда к массе qlma = 1,76-10** Кл/кг, средний радиус орбиты (на-
пример, атома водорода, определенного по методу Н. Бора) гэ =
= 5-10-11 м. Валентные электроны связаны с ядром относительно
слабо и при определенном приращении энергии могут оторваться от
атома, перейти к другим атомам или совсем покинуть вещество.
Процесс излучения электронов поверхностью веще-
ства в вакуум называется электронной эмиссией. Явле-
ние эмиссии используется во всех электронных лампах.
Различают термоэлектронную, электростатическую, вто-
ричную электронную, фотоэлектронную и другие виды
эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагреванием
вещества катода. Нагрев осуществляется, как правило,
электрическим током. Термоэлектронная эмиссия и энер-
13
гетическое состояние атомов вещества, эмигрирующего
электроны, поясняются рис. 1.1. В нижней левой четвер-
ти координатных осей показано несколько ячеек кри-
сталлического вещества (металла М) с неровной по-
верхностью излома. По осн ординат отложены уровни
энергии электронов, по оси абсцисс — удаление электро-
нов от поверхности. Положительно заряженные ионы
Рис. 1 1. Образование запирающе-
го слоя на поверхности металла М
и графики энергии некоторых ве-
ществ.
(окружности со знаком «+») образуют остов металла,
его кристаллическую решетку. Множество электронов,
ставших «общими», представлено маленькими окружно-
стями. В 1 см3 металла имеется примерно 1-Ю23 элект-
ронов.
На кромке излома электроны внешней орбитали об-
нажаются и подобно газовой пленке окутывают поверх-
ность вещества. Совокупность поверхностных ионов и
электронов называется двойным электрическим слоем.
Слой имеет толщину IO-4 мкм. Внутренняя и внеш-
няя части этого слоя, обладая зарядами, создают элект-
рическое поле, направленное изнутри вещества. Электро-
ны удерживаются в металле внутриатомными силами и
действием поля. Максимальная внутренняя энергия, ко-
торой обладают электроны при абсолютном нуле (О К),
называется энергией Ферми, а ее значение — уровнем
Ферми Wf-
При повышении температуры электроны приобретают
дополнительную энергию. Отдельные электроны, коли-
чество которых определяется методами теории вероят-
ностей, оказываются способными преодолеть действие
внутриатомных сил и электрического поля двойного
слоя, перейти в вакуум и стать «свободными». Другие
электроны удаляются на меньшее расстояние от поверх-
14
ности и снова втягиваются полем двойного слоя внутрь
вещества. Таким образом, каждый электрон, покидаю-
щий вещество, предварительно должен преодолеть по-
тенциальный барьер <ро, который зависит от вещества.
Минимальная дополнительная энергия Wo (по сравне-
нию с энергией Ферми), необходимая электрону для
преодоления потенциального барьера, называется рабо-
той выхода W0=Wa—WF, где Wa — полная энергия
электрона (рис. 1.1, участок ОАБ на кривой /), WF—
энергия электрона внутри вещества.
Работа или энергия равна 1 Дж, если заряд в 1 Кл
преодолеет разность потенциалов поля в 1 В. В элект-
ронике энергию электрона или совершенную им работу
удобнее выражать не в джоулях, а в электронвольтах
(эВ). Энергия равна 1 эВ, если заряд, которым облада-
ет электрон (е= 1,6-10-19 Кл), преодолевает разность
потенциалов в 1 В (1 эВ = 1,6-10~19 Дж).
Металлы (вещества) различаются свойственными им
значениями работы выхода: чем она больше, тем сла-
бее электронная эмиссия. Например, вольфрам имеет
работу выхода 1Г0=4,52 эВ; это означает, что эмиттиру-
емый с его поверхности электрон преодолевает потенци-
альный барьер фо=4,52 В; значительно меньшую работу
выхода имеют металлы с большими междуатомными
расстояниями: цезий — 1,81; барий — 2,52; магний —
3,6 эВ.
Основным параметром термоэлектронной эмиссии катода счи-
тается плотность электрического тока эмиссии, равная току с едини-
цы поверхности. Эмиссия возрастает при повышении температуры на-
грева —примерно по экспоненциальному закону; она также зависит
от состояния излучающей поверхности катода и других факторов. Так,
эмиссия у вольфрама при температуре до 2000 К практически от-
сутствует, при 2500 К плотность тока эмиссии равна 0,1 А/см2, при
2600 К — 0,3 А/см2 и г д.
Если металл содержит соответствующую примесь, порождающую
мономолекулярный поверхностный слой, то атомы слоя, отдавая
свои электроны основному веществу, усиливают его эмиссию; по-
добные примеси называются активирующими; диаграмма выхода
электронов с такой поверхности показана кривой 2 на рис. 1.1.
Другие примеси, осажденные на поверхность вещества, обра-
зуют мономолекулярный слой, который отбирает электроны у ос-
новного вещества, образуя на поверхности отрицательные ионы; оии
увеличивают работу выхода, т. е. ослабляют эмиссию, такие вещест-
ва называют «отравляющими». Примером может служить кислород.
Работа выхода для чистого вольфрама равна 4,52 эВ, после обра-
ботки вольфрама кислородом она увеличивается до 9,2 эВ. Этот
факт иллюстрируется графиком 3 на рис. 1.1. В качестве эмиттирую-
щих веществ часто применяют некоторые полупроводники, обладаю-
15
щие работой выхода, значительно 'меньшей, чем металлы, напри-
кер, окись бария с примесью чистого бария (полупроводника с ра-
ботой выхода Wo = 1,1 эВ).
Электростатической электронной эмиссией называет-
ся эффект вырыва электронов из поверхности металла
сильным внешним электрическим полем. Поле снижает
потенциальный барьер и работу выхода, облегчая вылет
электронов из вещества. Так, при напряженности элект-
рического поля в 106 В/см и более наблюдается эмиссия
электронов даже с холодной поверхности. Эмиссия уси-
ливается, если на поверхность нанесены активирующие
присадки.
Вторичная электронная эмиссия возникает, если на
поверхность вещества направить поток электронов или
ионов, называемых первичными. Они взаимодействуют
с электронами электрода и сообщают им дополнитель-
ную энергию, достаточную для совершения работы выхо-
да. На основе вторичной электронной эмиссии построены
фотоэлектронные умножители и другие приборы; в элек-
тронных лампах она, как правило, является помехой
нормальной работе.
Фотоэлектронная эмиссия проявляется при воздей-
ствии квантов света (электромагнитных излучений) на
поверхность вещества. При этом кванты сообщают элек-
тронам дополнительную энергию для совершения работы
выхода. Подробнее об этом будет сказано в гл. 4. z
Движение электрона в электрическом поле. В рабочем режиме
е помощью внешних источников между электродами электронных
ламп создаются электрические поля, с которыми взаимодействуют
электроны, эмиттироваииые катодом. Однородное электрическое по-
ле между плоскими электродами, к которым приложено напряжение!
«+»— к электроду А (аноду), «—» — к электроду К (катоду),
представлено на рис. 1 2.
Если потенциал катода принять за нуль (<ра = 0), то потенциал
анода будет равен междуэлектродному напряжению анод—катод
фа = Сила F, с которой электрическое поле действует на элек-
трон, является векторной величиной, зависящей от заряда электрона
q и напряженности поля Е: F=—gE.
Рассмотрим три варианта движения электрона в электрическом1
поле в зависимости от его начальной скорости. Если электрон I
(рнс. 1 2) имеет начальную скорость Vi, совпадающую по направле-
нию с вектором F, то ои будет двигаться из точки 1 в точку 2 рав-
ноускоренно. В точке 2 его скорость увеличится до v2. Такое поле
называется ускоряющим. Перемещая электрон, поле производит ра-
боту
A = g(<p2--<p1) = gl721,
где Uа—разность потенциалов конечной и исходной точек траекто-
рии электрона.
16
Кинетическая энергия, приобретенная электроном, равна совер-
шенной работе

— 9^21 •
2
Из этого выражения можно определить, какую конечную ско-
рость V2 = v приобретает электрон, прошедший ускоряющую раз-
Рис. 1.2. Движение электрона
в электрическом ускоряющем,
тормозящем и поперечном поле.
ность потенциалов Иц = Ц, если его начальная скорость была рав-
на нулю (»! = 0):
=6.105 уй.
У т \ 9,1-10—31	)
Например, при напряжении U «= 100 В конечная скорость элек- '
трона v = 6- 10е м/с.
В электровакуумных приборах часто используется тормозящее
электрическое поле, в котором вектор силы F и вектор начальной
скорости v направлены взаимно противоположно (электрон II, рис.
1.2). Этот случай соответствует движению электрона против направ-
лении поля; он отдает свою энергию полю, скорость его падает до
нуля, после чего он начинает двигаться назад. Распространен также
случай, когда электрон III с начальной скоростью V| попадает в по-
перечное поле, направленное под углом 90° к вектору скорости элек-
трона. Сила F, с которой взаимодействует поле, направлена в сто-
рону большего потенциала. Возникает и постепенно увеличивается
вертикальная составляющая скорости электрона; траектория его
движения искривляется по параболическому закону — пунктирная
линия иа рис. 1.2
Магнитное поле так же, как и электрическое, часто использует-
ся для управления потоком электронов. При анализе поток электро-
нов уподобляют проводнику с током. Магнитное поле действует на
электрон с силой F=ma= 9[vB], где т — масса электрона, а —
ускорение, q — заряд электрона, v — скорость движения, В — маг-
нитная индукция.
Вектор силы F направлен перпендикулярно вектору скорости
электрона и вектору магнитной индукции (магнитным линиям).
Движение электрона зависит от его начальной скорости относитель-
но магнитных линий. Если вектор скорости параллелен магнитным
линиям, магнитное поле и электрон не взаимодействуют, так как
сила F=0. В случае, когда электрон имеет начальную скорость,
- направленную перпендикулярно магнитным линиям, сила F стано-
2- 107
17
внтся центростремительной и электрон движется по окружности с
радиусом г = mv2/F.
Взаимодействие магнитного поля с электроном, у которого век-
тор начальной скорости v образует угол а с направлением магнит-
ных линий, показано на рис. 1.3. Скорость электрона v разлагается
на две составляющие, одна из которых v" совпадает по направлению
с полем В, а вторая v' направлена перпендикулярно полю. Перпен-
дикулярная составляющая заставляет электрон двигаться по окруж-
ности, благодаря другой составляющей электрон перемещается вдоль
Рис. 1.3. Движение электрона в магнит-
ном поле.
магнитного поля. Траекторая результирующего движения имеет вид
винтовой линии, радиус и шаг которой зависят от модуля и направ-
ления векторов скорости электрона и магнитного поля.
1.3.	ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ДИОД
Диод — двухэлектродная электронная лампа. Один
из многочисленных конструктивных вариантов диода
представлен на рис. 1.4. Он состоит из баллона 1, като-
да 2 и анода 3. Катод и анод укреплены на держателях-
траверсах 4, смонтированных в утолщенной части бал-
лона и приваренных к штырям 5. Баллон выполнен из
стекла; для других ламп часто используют керамику,
металл или составы из металла, стекла и керамики.
В баллоне создан вакуум около 10~3—10~4 Па.
Катод является источником электронной эмиссии и
электродом для создания электрического поля. Катоды
делятся на две большие группы: катоды прямого (непо-
средственного) накала и подогревные (косвенного нака-
ла). Катоды непосредственного накала изготовляют из
тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена) в виде
тонких проволочных нитей 1 (как показано на рис.
1.5, а), укрепленных на пружинных подвесках 2 травер-
сы 3. Концы нити присоединены к токоподводящим про-
водникам 4, смонтированным в стеклянной ножке 5.
Катод прямого накала для мощных ламп приведен на
рис. 1.5, б. Проволочная спираль 1 из тугоплавкого ме-
талла закреплена в токоведущих проводниках 2. Катоды
прямого накала обладают относительно малой тепловой
18
инерцией, а их излучающая поверхность — неодинако-
вым, изменяющимся по длине нити потенциалом: от 0 у
заземленного вывода до Uu — У другого вывода. Поэто-
му использование накала переменным током для таких
катодов не всегда оказывается приемлемым, так как от-
меченные факторы вызывают соответствующие пульса-
ции тока эмиссии лампы. Осуществить питание цепи
накала переменным током позволяют по-
догревные катоды (рис. 1.5,в). Они со-
стоят из излучателя (или эмиттера) 1,
подогревателя — нити накала 3, которая
изолируется от излучателя огнеупорным
изолятором (обычно алундом А120з) 2.
Вследствие высокой тепловой инерции и
постоянного потенциала излучателя по-
догревные катоды не создают пульсаций
анодного тока.
К катодам предъявляется ряд требо-
ваний. Во-первых, они должны обладать
высокой эффективностью (или экономич-
ностью) , которая оценивается током эмис-
Рис. 1.4. Электровакуумный диод.
Рис. 1.5. Варианты катодов непосредственного (а и б) и подогревно-
го (в) накала.
сии в миллиамперах, приходящимся на 1 Вт мощности,
затраченной в цепи накала. Во-вторых, желательна не-
высокая температура нагрева. Важное значение имеют
также долговечность и другие параметры катодов.
Анод диода является вторым электродом лампы, на
который относительно катода подается напряжение, на-
зываемое анодным Ua, для образования электрического
2*	19
поля. Анод воспринимает электронный поток, и лампа
проводит ток при замкнутой анодной цепи. Аноды имеют
цилиндрическую или другую форму более сложной кон-
фигурации. При работе лампы анод сильно нагревается
выделяющейся на нем теплотой. Нагрев происходит
вследствие ударов электронов о его поверхность. Элект-
рическая мощность, рассеиваемая на аноде в виде теп-
лоты, равна Pa=IaUa, где Ua — напряжение между ано-
дом и катодом (анодное напряжение) и 1а— анодный
ток. С увеличением тепловой мощности растет темпера-
тура анода; перегрев анода вредно отражается на рабо-
те других электродов и лампы в целом, возможно даже
расплавление анода. От одной и той же лампы можно
получить значительно большую мощность (без ее по-
вреждения), если на ее аноде смонтировать радиатор
воздушного или жидкостного охлаждения.
Крепление электродов лампы осущест-
вляется на держателях — траверсах, вмонтированных в
стеклянную «ножку» или утолщенный торец баллона,
как показано на рис. 1.4. Держатели выполняют также
роль токоподводящих деталей и с внешней стороны бал-
лона заканчиваются контактными штырями или гибкими
проводниками.
Принцип действия диода основан иа односторонней
электропроводности между катодом и анодом. Электрическая цепь
С ламповым диодом показана на рис. 1.6, а. Она содержит два ис-
точника энергии: один из них называется накальным, другой —
анодным. Накальный источник обеспечивает разогрев катода и
эмиссию электронов с его поверхности; между катодом и анодом
образуется электронное облако. Анодный источник необходим для
Рис. 1.6. Включение диода в электрическую цепь (а), распределение
потенциалов между электродами (б) и вольт-ампериые характери-
стики (в).
20
создания электрического поля между катодом и анодом. Распреде-
ление потенциала <р в междуэлектродном промежутке показано на
рис. 1.6, б. По горизонтальной оси х отложены расстояния, отсчи-
тываемые от катода К; по вертикальной оси — значения потенциала
Ф, а в сечении анода А нанесены различные положительные напря-
жения на аноде (относительно катода) 47а = фа.
При отсутствии накала (катод холодный) и ия=£0 электронное
облако отсутствует, а потенциал между плоскими электродами из-
меняется по линейному закону — линия 1. Накаленный катод созда-
ет электронное облако с отрицательным объемным зарядом, равно-
мерно распределенным между электродами при £7а = О (кривая 2).
Поле, созданное электронным облаком, является тормозящим; возле
катода возникает минимум потенциала фт<п, препятствующий эмис-
сии электронов. С появлением положительного напряжения иа ано-
де минимум потенциала снижается, область тормозящего поля су-
жается н при значительном анодном напряжении Ua >Ua поле
для электронов становится ускоряющим во всем промежутке (кри-
вые 3—5). Электроны движутся в вакууме от катода к аиоду с
ускорением. Если полярность анодного напряжения сменить на об-
ратную, то электрическое поле будет отталкивать электроны от
анода в сторону катода (тормозить их движение) и электропровод-
ность будет практически отсутствовать.
Зависимость анодного тока от приложенного анодного напряже-
ния называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода.
Три графика ВАХ, полученные экспериментально при различных на-
пряжениях накала (т. е. при различных температурах нагрева като-
да), приведены на рис 1.6, в:
участок аб начинается в области небольших отрицательных на-
пряжений, чго объясняется наличием некоторой начальной скорости
у эмиттируемых электронов;
участок бв соответствует значительному влиянию электрического
поля анода на минимум потенциала пространственного поля возле
катода до его полного исчезновения;
участок, ее показывает, что почти все эмиттированные с катода
электроны достигают анода, и дальнейшее увеличение анодного на-
пряжения практически не влияет на ток /а. Такой режим называется
насыщением.
Аналитическим выражением для графиков /а = f(Ua) на участке
бв является формула, часто называемая законом степени трех вто-
рых,
/а = Ш*/2,
где k — коэффициент, учитывающий конфигурацию и размеры элек-
тродов и согласование единиц измерения.
Анодный ток пропорционален анодному напряжению не в пер-
вой степени, как в законе Ома, а в степени 3/2 (за исключением
начального и конечного участков). Если, например, напряжение воз-
растает в 3 раза, то анодный ток увеличивается в 5,2 раза
Ia = k (З17а)3/2 = y^kU3a12 « 5,2W3/2.
Ток лампы возрастает также при повышении температуры като-
да (напряжения накала Usz>Uai>Uni, рис. 1.6, в), что подтвержда-
ется сдвигом графиков /а = f(Ua) в сторону увеличения /а, так как
при этом увеличивается количество эмиттироваииых с катода элек-
тронов.
21
Параметры электронной лампы характеризуют основ-
ные свойства лампы. К ним относятся крутизна ВАХ,
внутреннее сопротивление, допустимая мощность, рас-
сеиваемая на аноде, допустимое обратное напряжение
и др.
Крутизной ВАХ диода S называется отношение при-
ращений анодного тока и напряжения при постоянном
напряжении накала
dUa ~	‘
Каждый из реальных типов диодов отличается кон-
кретным значением крутизны в пределах 5 = 1-?-
-~50 мА/В.
Внутреннее сопротивление диода R, — величина, об-
ратная крутизне характеристики, равная отношению при-
ращений анодных напряжения и тока: R,=A/S =
=KUa/Kh. Этот параметр часто называют дифференци-
альным сопротивлением лампы, поскольку сопротивле-
ние находится как отношение малых приращений. В кон-
кретных типах ламп Ri=20-? 1000 Ом.
Максимально допустимая мощность Ратах — макси-
мальная мощность, рассеиваемая иа аноде Pa = UJa,
при которой не снижается установленный временной ре-
сурс работы лампы.
Допустимое обратное напряжение — это гарантиро-
ванный предел отрицательного напряжения, при котором
еще не происходит пробоя вакуумного промежутка меж-
ду катодом и анодом. Оно зависит от расстояния между
электродами, т. е. обусловлено размерами ламп.
Првменение вакуумных диодов основано на односто-
ронней проводимости. Если к цепи из последовательно соедииеиных
диода и нагрузки подключить переменное напряжение, то по нагрузке
с сопротивлением 7?н (рис. 1.6, а) будет протекать электрический ток
только в те моменты, пока на аноде будет действовать положитель-
ная полуволна напряжения. Напряжение противоположной поляр-
ности на электродах («—» на аноде, «+» на катоде) создает в лампе
тормозящее электрическое поле, электронный поток отсутствует, со-
противление лампы резко возрастает и ток в сопротивлении нагрузки
не протекает. Через нагрузочный резистор проходят только полувол-
ны тока положительной полярности. Ток, изменяющийся по величи-
не, но одного направленвя, называется пульсирующим.
Вакуумные диоды широко применяются в качестве вентилей в
выпрямителях (такие лампы называются кенотронами) и детекторов
в импульсных и измерительных устройствах — для разделения поло-
жительных и отрицательных импульсов.
22
1.4.	ТРИОДЫ
Электронная лампа может иметь кроме катода и ано-
да еще одни электрод или более, называемый сеткой.
Лампа, содержащая катод, анод и одну сетку, называет-
ся триодом. Сетка позволяет управлять электронным по-
током и придает лампе усилительные свойства.
Управляющая сетка располага-
ла^	ется в промежутке между катодом
я и анодом> но ближе к катоду. Эс-
уН*3-; киз конструкции триода показан на
Т рис. 1.7: катод К (в рассматривае-
I ; “Т "" мой конструкции — подогревного ти-
Г~	па); управляющая сетка С, состоя-
' I щая из витков, закрепленных на
Ц | J)	Рис. 1.7. Устройство триода (стеклянный
баллон не показан).
траверсе, и анод А. Катод и анод триода не отличают-
ся от соответствующих электродов диода. Сетки элект-
ронных ламп выполняются из никеля, молибдена и дру-
гих металлов в виде проволочной цилиндрической спира-
ли овальной или прямоугольной формы поперечного
сечения. Поддержки сеток — траверсы — монтируются
на торце или стейках баллона и имеют вывод на внеш-
нюю часть лампы. Роль сетки в лампе заключается в
формировании электрического поля между сеткой и ка-
тодом, благодаря чему осуществляется управление анод-
ным током лампы.
Проведем краткий анализ влияния сеткн на работу
триода.
1. Катод не нагрет, эмиссии электронов не происходит,
пространственный заряд из электронов в лампе также
отсутствует. При положительном напряжении на аноде
(относительно катода) между катодом и анодом имеется
электрическое поле, направленное в сторону катода, с на-
пряженностью, определяемой напряжением и расстояни-
ем между электродами. В этом случае присутствие отсое-
диненной сетки почти не влияет на имеющееся поле.
Нулевой потенциал сетки уже меняет поле возле катода.
Отрицательный потенциал на сетке относительно като-
да (Пс<0) ослабляет поле, создаваемое анодом; поло-
жительный ([/с>0), наоборот, усиливает его. Посколь-
23
ку сетка расположена вблизи катода, то напряжение на
сетке будет влиять на результирующее электрическое
поле возле катода сильнее, чем напряжение на аноде,
так как напряженность электрического поля Е прямо
пропорциональна напряжению между электродами и об-
ратно пропорциональна расстоянию между ними: Е =
= U/l. Кроме того, сетка обладат экранирующим дей-
ствием: она «перехватывает» линии электрического поля
анода и тем самым уменьшает его напряженность у като-
да. Благодаря близости сетки к катоду даже неболь-
шое отрицательное ^напряжение на ней способно нейтра-
лизовать высокое напряжение на аноде, а при накален-
ном катоде уменьшить электронный поток от катода к
аноду вплоть до полного прекращения тока.
2. Катод накален, эмиттирует электроны, множество
которых образует вблизи катода электронное облако —
пространственный заряд с отрицательным знаком. Как
и в прежнем случае, на аноде — положительное относи-
тельно катода напряжение. При отсоединенной сетке
триод подобен диоду; поле, направленное к катоду, пони-
жает потенциал пространственного заряда у катода и
втягивает электроны, обеспечивая цепь для анодного
тока. При этом часто говорят, что ускоряющее электри-
ческое поле снижает потенциальный барьер пространст-
венного заряда. Положительный потенциал на сетке
<£7с>0) снижает потенциальный барьер заряда, усили-
вает ускоряющее поле анода и при определенном значе-
нии Uf.^0 лампа переходит в режим насыщения. Отри-
цательный потенциал на сетке (С/с<0) повышает потен-
циальный барьер пространственного заряда и ослабляет
влияние ускоряющего поля анода. Отрицательное напря-
жение на сетке, при котором анодный ток в лампе ста-
новится равным нулю, называется запирающим, а лам-
па запертой.
Если к сетке подвести переменное напряжение, сдви-
нутое напряжением дополнительного источника в отри-
цательную область относительно потенциала катода, то
в лампе будет происходить процесс периодического уве-
личения и уменьшения высоты потенциального барьера
и соответственно уменьшения и увеличения анодного то-
ка, текущего через лампу. По этой причине сетку в трио-
де справедливо называют управляющим электродом.
Типичная схема включения триода (схема с общим ка-
тодом—ОК) приведена на рис. 1.8. Три электрода — катод, Сетка
24
н аиод—являются элементами цепей катода, сетки и аиода. Цепь
катода состоит из катода прямого или косвенного иакала с выво-
дами для присоединения накального источника энергии. В зависи-
мости от назначения схемы в цепи катода устанавливаются резис-
торы, конденсаторы или катод присоединяют к металлическому кор-
пусу прибора. Цепь сетки называется входной, источник входных
сигналов подключают к выводам сетка — катод. Цепь аиода назы-
вывается выходной. Анод через рези-
стор или другие элементы присоединяет-
ся к положительному выводу источника
анодного питания. К точке цепи между
анодом и резистором R& присоединяется
нагрузка, на которой выделяются вы-
ходные сигналы ЦВЫ1. Второй зажим
нагрузки соединяется с общей точкой
каскада (с корпусом).
Рис. 1.8. Включение триода в электри-
ческую цепь для усиления сигналов.
Статические характеристики триода —
так называются графики зависимостей анодного и сеточ-
ного токов от напряжений на электродах. Статические
аиодио-сеточные характеристики часто называют проход-
Рис. 1.9. Статические анодио-сеточные (а — входные) и анодные
(б — выходные) характеристики.
ными, а анодные характеристики — выходными; они по-
казаны на рис. 1.9, а, б. Анодно-сеточные характеристики
отражают влияние сеточного напряжения на ток лампы—>
анодный ток /а — при неизменном анодном напряжении,
т. е. K=f(Uc) при t/a=const. На горизонтальной оси
(рис. 1.9, а) отмечены сеточные напряжения, на верти-
кальной — ток лампы в анодной и сеточной цепях. Они
сняты без резистора 7?а (7?а=0) при различных фикси-
25
рованных напряжениях на аноде. При малом анодном
напряжении t/ai и нулевом потенциале на сетке по лампе
протекает небольшой анодный ток /аь С увеличением
напряжения на аноде 17а4>£\з>^а2>£Ли растет и
анодный ток. Чтобы запереть лампу (7а=0), на ее сет-
ку требуется подавать каждый раз все большее отрица-
тельное напряжение; например, при Uai ток /а = 0, если
на сетку будет подано отрицательное напряжение —Uct.
Графики 1 и 2 рис. 1.9, а отражают наличие тока в цепи
сетки. Он появляется при положительных напряжениях
на сетке ([7с>0). Ток сетки тем больше, чем выше на-
пряжение на сетке и меньше анодное напряжение. Кри-
вая 1 соответствует меньшему анодному напряжению
Uat, а кривая 2 — большему £7а2. Присутствие тока в це-
пи сетки вызывает искажение сигнала из-за нелинейного
характера входного сопротивления: промежуток сетка—
катод подобен диоду с односторонней, т. е. нелинейной,
проводимостью; кроме того, сеточный ток вызывает рас-
ход мощности источника усиливаемого сигнала. Поэтому
сеточные токи в лампе нежелательны. Чтобы не допус-
тить сеточных токов, в цепи сетки создают отрицательное
напряжение смешения входных сигналов.
Выходные (анодные) характеристики
(рис. 1.9,6) показывают, как влияет изменение анодного
напряжения на ток лампы при неизменном напряжении
на сетке: Ia — f(Ua) при fJc=const. Они построены в
координатах: анодный ток /а — анодное напряжение Г7а.
При нулевом потенциале на сетке (fJc=O) анодный ток
изменяется по закону степени 3/2. Достаточно большой
(по модулю) отрицательный потенциал на сетке (UG<
<0) поддерживает лампу запертой (7а=0). Чтобы по
лампе проходил ток при возросших отрицательных на-
пряжениях на сетке, необходимо увеличивать анодное
напряжение. Например, при напряжении на сетке —Uci
анодное напряжение должно превышать Ual, а при
—UC2 анодное напряжение надо повысить до 0а2. При
положительных напряжениях на сетке анодный ток рас-
тет быстро, но в этом режиме появляются сеточные то-
ки, что нежелательно.
Параметрами триода являются крутизна анодно-се-
точной характеристики, внутреннее сопротивление и ко-
эффициент усиления.
Крутизной анодно-сеточной характеристики называ-
ется отношение приращения анодного тока Д/а к прира-
26
щению напряжения на сетке при постоянном напряжении
на аноде
S я» Д7а/ДГ7с при U& — const,
Крутизна характеристики количественно показыва-
ет, на сколько ампер увеличивается анодный ток при
изменении сеточного напряжения на 1 В при одном и
том же анодном напряжении, А/В.
Внутреннее сопротивление Rt определяют как отно-
шение приращений анодного напряжения к анодному
току:
Rt та &Ua/bI& при Uc = const.
У конкретных типов триодов Ri имеет значения от
десятков ом до десятков килоом.
Коэффициентом усиления триода р, называется чис-
ло, показывающее, во сколько раз напряжение на сетке
сильнее влияет на анодный ток, чем анодное напряже-
ние. Его представляют в виде отношения взаимно ком-
пенсирующих приращений анодного и сеточного напря-
жений, при которых анодный ток остается постоянным
ц =— Д1/а/Д{/с = | А(7а/А(7с | при /а = const.
Знак минус учитывает различие приращений анодно-
го и сеточного напряжений и придает коэффициенту
усиления положительное значение; для большинства
триодов 11=54-100. Иногда пользуются еще одним па-
раметром — проницаемостью D, которая для триода
является величиной, обратной р,, т. е. Z) = l/p. Прони-
цаемость характеризует степень ослабления поля анода
возле катода по сравнению с полем сетки при одинако-
вых напряжениях на электродах и выражается форму-
лой D = —Д{7с/А77а.
Установлено, что параметры триода связаны форму-
лой, известной как внутреннее уравнение триода SR,—
= р или SRiD = l. Она часто применяется на практике
для вычисления одного из параметров по двум другим
известным.
Из анализа статических характеристик и параметров следует,
что они взаимно связаны. По статическим выходным и входным ха-
рактеристикам легко определить крутизну, коэффициент усиления
и внутреннее сопротивление. Воспользуемся рис. 1.9,6. Выберем из
семейства характеристик такую, которая удовлетворяет заданному
режиму лампы. Спрямленный участок кривой отражает прямую про-
порциональность между действующими в лампе токами и напряже-
ниями. Через точку А проведем горизонтальную и в точке В вер-
27
тикальную линии до пересечения их с соседней кривой. Катеты
треугольника, называемого характеристическим, представляют при-
ращения тока и напряжения.	'
Определим параметры триода.
1.	Крутизну характеристики, А/В, находим по при-
ращению тока (по катету ВС на рис. 1.9,6) Д7а=7’—7',
которое делим на приращение сеточного напряжения Д£7С,
равное разности напряжений соседних кривых
(t/ci-1/сг):
_ Д/а _______
Д1/с	( Uca)
2.	Внутреннее сопротивление, В/A, определяется деле-
нием приращения анодного напряжения на приращение
анодного тока при одном и том же сеточном напряже-
нии (—77ci):
3.	Коэффициент усиления подсчитывается по прира-
щениям Д77а и Д77с при неизменном анодном токе
______At7a _ U’a-U'a .
Р АС7с -Uci-(-Ucl)
Параметры триода можно определить и по входным
статическим характеристикам, осуществив аналогичные
построения.
1.5. ТЕТРОДЫ
Основными недостатками триодов считаются значи-
тельная междуэлектродная емкость сетка — анод, т. е.
проходная емкость (для схемы с общим катодом) и
сравнительно невысокий коэффициент усиления. Из-за
большой проходной емкости (Са_с= 14-10 пФ) триоды
неустойчиво работают в высокочастотных усилителях;
не всегда целесообразно применение триодов и в усили-
телях низкой частоты из-за плохого использования анод-
ного напряжения 77а- Поиски путей улучшения свойств
триода привели к созданию тетрода. Конструкция тетро-
да отличается от триода наличием второй сетки, назы-
ваемой экранной. Экранная сетка расположена в проме-
жутке между управляющей сеткой и анодом. Экранная
28
сетка, как и управляющая, выполняется в виде спирали
цилиндрической, овальной или прямоугольной формы,
но имеет обычно больше витков, чем управляющая сетка.
Экранная сетка сильно ослабляет воздействие элект-
рического поля анода на катод и управляющую сетку,
т. е. экранирует анод. Например, при нулевом потенциа-
ле на этой сетке (если ее соединить с катодом) лампа
Рис. 1.10. Тетрод в схеме уси-
ления сигналов.
Рис. 1.11. Графики, поясняю-
щие динатрониын эффект в
тетроде.
оказывается запертой даже при 3004-500 В. Экра-
нирование поля анода приводит к уменьшению проход-
ной емкости Cc-ai на 1—2 порядка: в маломощных тет-
родах Ca-ci~0,01 пФ, в мощных Ca-ci«0,l пФ.
Экранная сетка также уменьшает влияние напряже-
ния Uа на пространственный заряд, а это приводит к ос-
лаблению зависимости анодного тока /а от анодного
напряжения, т. е. к повышению /?(; одновременно с этим
возрастает коэффициент усиления ц, что подтверждает-
ся формулой (при неизменном S)
Типичная схема включения тетрода приведена на
рис. 1.10. Цепи катода, входная и выходная такие же, как и у
триода. Экранная сетка присоединена к средней точке цепи, состоя-
щей из гасящего резистора RB и блокирующего конденсатора Са.
Через резистор, по которому течет постоянный ток экранной сетки
/ог, к экранной сетке подводится положительное напряжение 1/сг=
•«(0,34-0,8) Ua. Переменные токи, возникающие в этой цепи при ра-
боте лампы и оказывающие вредное влияние, отводятся (замыка-
ются) через конденсатор С» на корпус, что обеспечивает постоянст-
во напряжения Uci.
К управляющей сетке подведено отрицательное напряжение,
которое влияет на электронный поток, но тока в цепи управляющей
сетки не создает. Катодный ток. (электронный поток) в тетроде /к
перераспределяется между электродами в соответствии с формулой
/к=/а+/с2+/с1 (при Цс1^0 /с1=0), что отражается на всех ха-
рактеристиках тетрода.
29
Анодная статическая характеристика
и график тока в цепи экранной сетки показаны на рис.
1.11 линиями 1 и 2 соответственно. В анодной цепи на-
пряжение изменяют от нуля до номинального значения,
на экранной сетке оно равно номинальному экранному
напряжению UC2—const.
При анодном напряжении (7а=0 в анодной цепи то-
ка почти нет, а ток экранной сетки 7сг имеет максималь-
ное значение, поскольку весь поток электронов перехва-
тывается положительно заряженной сеткой. При
повышении анодного напряжения от нуля до 77ai<77C2
(до точки А на рис. 1.11) ток в цепи анода растет, так
как часть электронов, пролетая сквозь экранную сетку,
достигает анода; ток экранной сетки соответственно
уменьшается.
Дальнейшее повышение анодного напряжения сопро-
вождается уменьшением напряженности тормозящего
электрического поля в пространстве между экранной
сеткой и анодом. При этом электроны, разогнанные по-
лем экранной сетки, достигают анода с энергией, доста-
точной для создания вторичной электронной эмиссии с
поверхности анода. Эти вторичные электроны (при усло-
вии Ua<.Uc2) попадают на экранную сетку. Поэтому
ток 7С2 начинает возрастать, а ток в цепи анода 7а соот-
ветственно уменьшаться вплоть до точки Б (рис. 1.11).
Уменьшение анодного тока объясняется уходом вторич-
ных электронов на экранную сетку, так как /а+7С2=-
—/к~const. Только при значительном анодном напря-
жении, например при 77а = 77с2 (точка В), поле анода
способно удерживать и возвращать на анод все вторич-
ные электроны. Ток анода становится большим, а ток
сетки 7с2 относительно малым. Дальнейшее повышение
анодного напряжения (от точки В) уже мало влияет на
анодный ток.
Воздействие вторичной электронной эмиссии на пе-
рераспределение тока в цепях анода и экранной сетки
тетрода называется динатронным эффектом. Он вреден,
так как тетрод утрачивает свойство усиливать без иска-
жений электрические колебания в значительном диапа-
зоне изменений анодного напряжения вследствие переги-
бов на его анодной характеристике. На практике исполь-
зуются два метода борьбы с динатронным эффектом, на-
правленных на создание в пространстве между экранной
сеткой и анодом минимума потенциала.
30
Первый метод заключается в установке лучеобразу-
ющих пластин и изменении конструкции экранной сетки;
такой модернизированный тетрод называется лучевым
тетродом. Второй способ состоит в том, что в простран-
стве между экранной сеткой и анодом монтируется тре-
тья сетка, называемая защитной или антидинатронной;
пятиэлектродная лампа
пентодом.
Фрагмент конструк-
ции лучевого тетрода
показан на рис. 1.12.
Экранная и управляю-
щая сетки выполнены
с одинаковым числом
витков и установлены
одна за другой на од-
ной высоте, так, что их
Рис. 1.12. Фрагмент лучево-
го тетрода.
с тремя сетками называется
просветы совпадают. Катод — плоский, обе его узкие
части со стороны сеточных траверс не имеют активного
покрытия. Анод имеет сложную конфигурацию, и его ци-
линдрическая часть отодвинута от экранной сетки на
большее расстояние по сравнению с обычным тетродом.
И еще один конструктивный прием: в пространстве меж-
ду траверсами экранной сетки и анодом смонтированы
две жестяные желобообразные лучеобразующие пласти-
ны ЛП, присоединенные внутри лампы к катоду.
Благодаря введенным усовершенствованиям удалось
создать электрическое поле сложной конфигурации.
Электроны летят от катода к аноду по сфокусированным
траекториям сжатыми потоками, напоминающими лучи.
Плотность потоков по длине лучей неодинакова; на не-
котором расстоянии от анода плотность возрастает, так
как при Ua<iUc2 электроны потока возле анода затор-
маживаются. Кроме того, плотность электронного потока
увеличивается за счет вторичных электронов. В резуль-
тате появляются сгустки электронов в непосредственной
близости от поверхности анода. В области возникших
сгустков образуется минимум потенциала — потенци-
альный барьер, непреодолимый для вторичных электро-
31
нов, который возвращает все вторичные электроны на
анод. Анодный ток становится пропорциональным изме-
нениям напряжения на управляющей сетке.
На анодной характеристике исчезают перегибы —
признаки динатронного эффекта. Статические характе-
ристики лучевых тетродов похожи на характеристики
пентодов, они будут рассмотрены далее.
Лучевые тетроды применяются в выходных цепях
радиотехнических устройств и в автоматических систе-
мах как лампы большой (до 250 кВт) единичной мощ-
ности.
1.6. ПЕНТОДЫ
Пятиэлектродная лампа — пентод — наиболее рас-
пространенный тип электронных ламп. Пентоды обла-
дают очень большим коэффициентом усиления, значения
которого доходят до нескольких тысяч, большим внут-
ренним сопротивлением — до 1—2 МОм и малой проход-
ной емкостью — до Ы0~3 пФ. Условное изображение
пентода приведено на рис. 1.15, д. Пентод имеет три сет-
ки, расположенные между катодом и анодом: управляю-
щую, экранную и защитную.
На управляющую сетку поступают входные электри-
ческие сигналы, смещенные относительно потенциалов
катода в отрицательную область; она управляет электри-
ческим полем вблизи катода, катодным и соответственно
анодным токами.
Экранная сетка сделана более густой по сравнению с
управляющей, она выполняет роль электростатического
экрана, уменьшая влияние переменного поля анода на
управляющую сетку пентода. Благодаря этому снижает-
ся проходная емкость. На экранную сетку подводится
положительное напряжение (7С2« (0,3-ь0,8) Ua.
Защитная сетка устраняет динатронный эффект:
анодная характеристика не имеет провала. У большин-
ства пентодов защитная сетка присоединена к катоду
внутри лампы и имеет одинаковый с ним (нулевой) по-
тенциал. Витки сетки расположены редко; однако этого
достаточно, чтобы создать потенциальный барьер 15—
30 В в промежутке экранная сетка — анод н образовать
преграду для вторичных электронов. Наличие защитной
сетки еще более снижает проходную емкость—до тысяч-
ных долей пикофарады.
32
Пентод может работать в различных режимах в за-
висимости от схемы включения и напряжений на его
электродах. Токи в цепях электродов являются функция-
ми всех междуэлектродных напряжений и находятся в
сложной зависимости от них. Существует много видов
характеристик пентода (более 20); на практике наибо-
лее часто используются анодно-сеточные и анодные.
Рис. 1.13. Статические входные
характеристики пентода (а) с рав-
номерной управляющей сеткой (1)
и переменным коэффициентом уси-
ления (2); устройство управляю-
щей сетки с переменным шагом
намотки (б).
-1% -^0 а)
Анодно-сеточная характеристика отра-
жает зависимость Ia—f(Uci) при различных анодных
напряжениях н постоянных напряжениях на экранной и
’защитной сетках; токи в цепях сеток соответственно рав-
ны: 7с1=/сз=0 (при Uci<0, иСз=0, t/c2—-const).
Анодный ток пентода сильно зависит от напряжения на
управляющей сетке и ее конструкции. Влияние анодного
напряжения на катодный ток в пентоде практически
сведено к нулю, так как анод сильно экранирован сетка-
ми и взаимодействие его поля с пространственным заря-
дом у катода незначительно. Влияние изменений анод-
ного напряжения на токораспределение между анодом и
экранирующей сеткой (в рабочем режиме) также ослаб-
лено из-за экранирующего действия защитной сетки,
поэтому в пентоде и анодный ток почти не зависит от
анодного напряжения.
Пучок графиков 1 анодно-сеточных характеристик h=f(UBi)
показан на рис. 1.13,а: анодные напряжения различны Ua3>Ua2^>
>Uti, а эти графики расположены очень близко один от другого;
с небольшой погрешностью их можно заменить одной кривой. При
уменьшении или увеличении напряжения на сетке Uct соответст-
венно, понизится или возрастет ток /а. Влияние конструкции управ-
ляющей сетки на аиодно-сеточную характеристику отражено графи-
ком 2. Для редкой сеткн требуется большее отрицательное запира-
ют^’напряжение; поэтому анодио-сеточная характеристика имеет
небольшую крутизну и сдвинута левее; лампы с такими характе-
ристиками часто называют «левыми». Густая сетка запирает лампу
3-107
33
при малых отрицательных напряжениях, поэтому анодио-сеточиая
характеристика идет круче и располагается правее; лампа с такой
характеристикой называется «правой». Нередко применяют лампы,
управляющая сетка которых выполнена переменной густоты — с не-
одинаковым шагом на отдельных участках (рис. 1.13,6). Большие
отрицательные напряжения на такой сетке запирают пентод в об-
ласти густой сетки, но оставляют его открытым на редком участке
(пологая часть кривой 2): анодный ток н крутизна характеристи-
ки малы. При малых отрицательных напряжениях работают все
участки сетки, крутизна
!ки возрастает (кривая zj, ток
лампы — выше. Пентоды с ха-
рактеристиками переменной
крутизны часто применяют в
устройствах дли автоматиче-
ской стабилизации выходных
напряжений при изменяющих-
ся входных.
Рис. 1.14. Статические выход-
ные характеристики пентода.
Анодные характеристики лучевых тет-
родов и пентодов (рис. 1.14) в справочниках при-
водятся для рабочих (номинальных) напряжений i/C2=
s== const, £/з=0. Анодные характеристики — графики функ-
ций /а=/(£/а) при различных напряжениях на управля-
ющей сетке Uа. Нулевые значения анодного тока (/а =
= 0) запертой лампы соответствуют максимальному от-
рицательному напряжению на управляющей сетке
(график t/'j <—5 В, рис. 1.14). Анодный ток растет по
мере уменьшения отрицательного потенциала на сетке и
достигает наибольших значений при напряжениях
Аиодиаи характеристика пентода круто поднимается на началь-
ном участке и уже при анодном напряжении Па« (0,1-т-0,3) Пса
плавно без провала переходит в пологий — рабочий участок. Цен-
ным является свойство пентода усиливать сигналы без искажения
прн малых напряжениях анодного источника. Пологие участки ха-
рактеристик должны быть параллельными и при равных прираще-
ниях напряжения на управляющей сетке AUot отстоять одни от
другого на одинаковых расстояниях по вертикали. Неодинаковые
расстояния между графиками свидетельствуют о непостоянстве кру-
тизны лампы. Наклон пологого участка зависит от внутреннего со-
противления: при увеличении Rt график приближается к горизон-
тали.
Параметры пентодов определяются по приращениям
токов и напряжений на анодных статических характе-
ристиках (рис. 1.14)1
34
1.	Крутизна характеристики S вычисляется по прира-
щениям
S =	при U„ Uci, = const,
Al/ci Ucl -ис1
2.	Внутреннее сопротивление
' ПРИ U<*'	= const-
Д,а 1%-la
3.	Коэффициент усиления n=SKi.
Лучевые тетроды и пентоды применяют в электронной
технике для генерирования и усиления электрических
колебаний от низких до сверхвысоких частот.
1.7. КОМБИНИРОВАННЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЛАМПЫ
Электронная лампа, в одном баллоне которой заключено две
системы электродов или более, называется комбинированной. Ком-
бинированная лампа объединяет несколько простых ламп, каждая
из которых выполняет свои функции независимо от других. Имеют-
ся разнообразные типы комбинированных ламп: двойные диоды,
диод-триоды, двойные триоды, триод-пентоды н др. Конструкции
ламп обусловлены требованиями конкретных применений. В лам-
пах Для одновременной работы как на высоких, так и иа низких
частотах системы электродов не имеют между собой связи и раз-
делены электростатическими экранами. В других комбинированных
лампах некоторые электроды, например катод, являются общими.
Кроме комбинированных ламп имеется большая группа спе-
циальных ламп. К специальным относятся лампы, у которых кроме
катода и аиода имеется четыре, пять и более сеток. Лампа с пятью
сетками называется гептодом, с шестью — октодом.
В последние годы разработано много специальных ламп сверх-
миниатюрного исполнения. К ним относят лампы с катодной сет-
кой, стержневые лампы, нувисторы и др. Малые размеры и масса
(менее 3—4 г), низкие рабочие напряжения (Ua~ 10 В), высокая
надежность и долговечность обеспечивают им конкурентоспособ-
ность с полупроводниковыми приборами.
Комбинированные, миогосеточные и специальные лампы приме-
ниются в компактных малогабаритных и облегченных электронных
конструкциях, которые дешевле и проще в производстве и надежнее
в эксплуатации.
1.8. КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
В справочниках электронные лампы систематизированы по уст-
ройству— диоды, триоды, пентоды и т. д., по конструктивным ва-
риантам, по напряжению источников питания и другим признакам.
Условное обозначение ламп наносится на внешней стороне бал-
лона и состоит из следующих элементов;
3*	35
Первый элемент — число, округленно указывающее напряжение
накала в вольтах; для генераторных ламп первым элементом явля-
ется буква Г.
Второй элемент — буква, присвоенная данной группе ламп: дио-
ды—Д, X (двойные), Ц (кенотроны); триоды — С, Н (двойные);
тетроды — Э; пентоды — Ж, К, П (мощные, в том числе лучевые тет-_
роды); диод-тршмул — Г; триод-пентоды — Ф; двойные тетроды и
пентоды — Р; индикаторы— Ё н т. д.
Рис. 1.15. Графические символы
электронных ламп.
а и б — диоды прямого накала и
с подогревным катодом; в —триод;
е — лучевой тетрод; д — пентод с
внешним выводом защитной сетки;
е — двойной диод-пентод; ж — три-
од-гептод.
Третий элемент — число, указывающее порядковый номер типа
лампы.
Четвертый элемент — буква, обозначающая тип конструктивного
оформления лампы: С — в стеклянном баллоне; П — миниатюрная
(пальчиковая) диаметром 19 и 22,5 мм; Б — сверхминиатюрная в
стеклиииом баллоне диаметром до 10 мм.
Пример. 6Д6Б—диод, напряжение накала 6,3 В, сверхминиатюр-
ный с диаметром до 10 мм; 6Н18П — напряжение подогрева ка-
тода 6,3 В; Н — двойной триод, 18-й конструктивный вариант; П —
пальчиковой серии, диаметр 19 мм (по справочнику).
Условные графические символы приведены на рис. 1.15, ан б —
диоды прямого накала и с подогревным катодом, в — триод, е — лу-
чевой тетрод, д — пентод с внешним выводом защитной сетки, е —
двойной диод-пентод, ж — трнод-гептод.
Контрольные вопросы
1.	Какие виды эмиссии наблюдаются в электронных лампах?
Объясните механизм термоэлектронной эмиссии.
2.	Как рассчитать скорость движения электрона между электро-
дами электронной лампы?
3.	Опишите устройство и принцип работы электронной лампы;
охарактеризуйте роль отдельных электродов лампы; назовите раз-
личные типы ламп.
4	Зачем надо знать статические характеристики и параметры
электронных ламп? Поясните примерами.
5.	Объясните порядок использования выходной и входной стати-
ческих ВАХ для определения основных параметров лампы (каких?)
и заданного режима ее работы
6.	Определить коэффициент усилении триода ц, если крутизна
5=6 мА/B, а внутреннее сопротивление /?.= 10 кОм.
36
7.	Проведите анализ электронных процессов в тетроде, сопро-
вождающихся дииатронным эффектом; укажите способы устранения
этого недостатка.
8.	Сравните статические характеристики и параметры пентода и
триода; выскажите соображения о целесообразности применения раз-
личных типов электронных ламп.
9.	Назовите достоинства и недостатки электронных ламп, как
усилительных элементов; в каком направлении совершенствуются
электронные лампы?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
2.1.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ;
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ
Большая группа газоразрядных приборов по конструк-
тивным признакам подобна электронным ламнам: в гер-
метизированном баллоне смонтированы два электрода
или более. После откачки воздуха в баллон под неболь-
шим давлением (10-1—103 Па) введен инертный газ, пар
ртути или водород.
Устройство газоразрядного прибора показано на рис.
2.1. Цилиндрический или плоский катод К изготавливают
из тугоплавких металлов, а на его рабочую поверхность,
как правило, наносят активное покрытие. В ртутных при-
борах катодом является ртуть. Анод А выполняют в виде
металлического или графитного стержня. Кроме катода
и анода газоразрядные приборы часто содержат управ-
ляющие и вспомогательные электроды — сетки.
Газ состоит из нейтральных молекул и атомов и, ка-
залось бы, должен быть идеальным изолятором. Однако,
если к электродам подвести напряжение, в газовом объеме
обнаруживается электрический ток, обусловленный при-
сутствием в колбе носителей электрических зарядов—
свободных электронов и ионов (на рис. 2.1 малые окруж-
ности — электроны, окружности покрупнее — ионы).
В естественных условиях ионизация происходит непре-
рывно под воздействием космического и солнечного об-
лучения, радиоактивных веществ земли, электризации
воздушных масс и других естественных ионизаторов.
Анод и катод присоединены к источнику анодного пита-
37
ния; как и в электронных лампах, электроды предназна-
чены для формирования потока заряженных частиц.
Электрическое поле разгоняет электроны и ионы к
соответствующим электродам. Сталкиваясь с нейтраль-
ными молекулами, они возбуждают их или производят
ударную ионизацию. При возбуждении электроны скач-
ком переходят на более высокие энергетические уровни,
Рис. 2.1. Ионизация мо-
лекул газа между като-
дом К и анодом А.
Рис. 2.2. Вольт-амперная характери-
стика электрических разрядов в га-
зах: тихого (05), тлеющего (ВГ),
нормального тлеющего (ГД), ано-
мального тлеющего (ДЕ), дугового
(ЕЖ).
а при ионизации — совсем отрываются от атома (моле-
кулы). В ионизации основная роль принадлежит электро-
нам, так как массивные ионы, имея одинаковый с элек-
тронами электрический заряд, получают меньшее
ускорение и обладают меньшей (по сравнению с электро-
нами) энергией.
Возбуждение и ионизация молекул газа (пара) проис-
ходят, если кинетическая энергия заряженных частиц W
превысит соответственно энергию возбуждения WB или
ионизации W„ молекул вещества. Электроны приобрета-
ют кинетическую энергию, преодолев разность потенциа-
лов электрического поля, В, равную напряжению возбуж-
дения UB или ионизации Uu:
Q
где q — заряд частиц (электронов).
38
и»
В возбужденном состоянии электроны пребывают не-
долго и при возврате в исходное состояние излучают
кванты энергии; этим объясняется видимое свечение в
междуэлектродном пространстве многих газоразрядных
приборов. Напряжения возбуждения и ионизации зависят
(при равнозначных условиях) от природы газа; напри-
мер, для гелия 17в = 20,8 В, £/и=24,5 В, для аргона 15,7
и 11,5 В, для ртутного пара 10,4 и 4,8 В соответственно.
Одновременно с ионизацией происходит процесс образо-
вания нейтральных атомов или молекул — рекомбинация
заряженных частиц, или деионизация (если не образу-
ются при этом новые ионы).
Резистор R, установленный на внешнем участке анод-
ной цепи, обеспечивает перераспределение напряжения
источника и ограничение анодного тока в режиме пуска
и работы лампы. Значение тока зависит от давления га-
за, расстояния между электродами, интенсивности иони-
зации и других факторов.
Все газовые разряды делятся на два основных вида:
несамостоятельный и самостоятельный. Несамостоятель-
ный разряд возникает от действия внешних ионизато-
ров— естественной радиации и термоэмиссии (подогре-
ва катода) и прекращается после их удаления; самостоя-
тельный газовый разряд продолжается в приборе н после
удаления внешнего ионизатора только под действием сил
электрического поля. Оба вида газовых разрядов могут
происходить в различных условиях с различной интенсив-
ностью ионизации, и в зависимости от этого они подраз-
деляются на темный, тлеющий, дуговой, коронный и ис-
кровой.
Вольт-амперная характеристика — зави-
симость тока от анодного напряжения для ламп с холод-
ным катодом и одинаковыми, например плоскими, элек-
тродами—показана на рис. 2.2. Участок ОА соответствует
несамостоятельному разряду, поддерживаемому толь-
ко естественными ионизаторами. Небольшое анодное на-
пряжение упорядочивает движение электронов и ионов,
и при некотором значении (Ua>Uc) все активные части-
цы достигают электродов, т. е. наступает режим насыще-
ния, появляется ток около 10*1! А, который можно рас-
сматривать как меру интенсивности ионизирующего из-
лучения. Этот разряд называется темным (или тихим) и
применяется в газонаполненных фотоэлементах.
Участок БВ соответствует увеличению тока тихого
39
разряда из-за ударной ионизации молекул газа и час-
тично из-за вторичной электронной эмиссии катода разо-
гнавшимися положительными ионами. В точке В тихий
разряд переходит в тлеющий. Ионизация сосредоточива-
ется в малом объеме газа междуэлектродного простран-
ства; возрастает концентрация положительных ионов
вблизи катода и соответственно интенсивность ударной
ионизации; процесс сопровождается повышением тока
газового разряда при одновременном уменьшении напря-
жения Ua вследствие его перераспределения на изменив-
шемся переменном внутреннем сопротивлении /?> и посто-
янном /?а-
Точка Г соответствует образованию электронно-ионно-
го — плазменного столба, начинающегося у анода и за-
канчивающегося у поверхности катода. Плазма — это
смесь ионов и электронов, она обладает высокой электри-
ческой проводимостью, поэтому падение напряжения
происходит только в слое между катодом и торцом' плаз-
менного столба; ударная ионизация также происходит в
этой области катода, причем на ограниченной поверхнос-
ти, площадь которой пропорциональна конкретному зна-
чению тока. Этот вид разряда называется нормальным
тлеющим разрядом; его особенность состоит в неизмен-
ности напряжения Ua и плотности тока разряда плазмен-
ного столба. При увеличении тока нагрузки рабочая пло-
щадь катода под плазменным столбом автоматически
расширяется, при уменьшении тока — сужается. Этот
вид разряда применяется для стабилизации напряжения.
На участке ДЕ наблюдается аномальный тлеющий
разряд, характерный для режима большого анодного то-
ка, при котором вся поверхность катода является рабо-
чей, и рост тока сопровождается увеличением плотности
тока столба, что достигается усилением поля (повышени-
ем анодного напряжения) и дополнительным прираще-
нием энергии ионов. При некотором критическом значе-
нии напряжения (точка Е), называемом напряжением
зажигания дугового разряда, возникает электростатичес-
кая эмиссия с поверхности катода; плотность тока плаз-
менного столба резко возрастает, внутреннее сопротивле-
ние Rt и напряжение на аноде Ua соответственно умень-
шаются. Аномальный тлеющий разряд переходит в
дуговой (участокЕЖ). Дуговой разряд, как и нормаль-
ный тлеющий, осуществляется с постоянной (высокой)
плотностью тока. Изменениям тока нагрузки соответст-
40
вуют пропорциональные изменения рабочей площади ка-
тода. Максимальный ток дугового разряд^ (до несколь-
ких тысяч ампер) возникает в том случае, когда вся по-
верхность катода становится рабочей. При этом падение
напряжения в газоразрядном слое доходит до 5—15 В.
Дуговой разряд сопровождается ярким свечением ра-
бочего участка катода и большим выделением теплоты;
светящийся участок поверхности называется катодным
пятном.
Коронный разряд представляет собой разновидность
тлеющего разряда; он возникает между заостренными
электродами с неоднородным электрическим полем при
высоких напряжениях (до нескольких тысяч вольт).
Обычно коронный разряд происходит в газовой среде,
давление которой равно или более атмосферного. При
разряде наблюдается свечение коронирующего слоя. Ис-
кровой разряд имеет сходство с дуговым, он возникает
при высокой напряженности поля и развивается по из-
вилистому пути, насыщенному заряженными частицами.
Параметры газоразрядных приборов. Возникновение и поддер-
жание газоразрядных процессов в лампах происходят при соответст- '
вующих напряжениях на электродах, причем напряжение возникно-
вения разряда (нли зажигания) U3' всегда превышает напряжение
рабочего процесса (гореиня) Ur. Параметры газоразрядных прибо-
ров отличаются многообразием; некоторые из параметров являКися
общими для многих типов приборов, другие параметры свойственны
только данному типу. К общим параметрам относятся рабочее анод-
ное напряжение, номинальный и предельный анодный ток, падение
напряжения между катодом и анодом, диапазон изменений темпе-
ратуры внешней среды и др. Конкретные типы приборов обладают
присущими им специфическими параметрами. Например, для стаби-
литрона важнейшими являются ток и напряжение стабилизации, для
выпрямительных приборов — прямое и обратное напряжения, вы-
прямленный ток и т. д.; для приборов с подогревными катодами —
ток и напряжение накала.
2.2.	КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ПО ВИДАМ ГАЗОВЫХ
РАЗРЯДОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В электронной технике применяются многочисленные
приборы с различными видами газовых разрядов. Тем-
ный разряд в газах сопровождается малым током (до
|10_3 А), во мгногих приборах он предшествует началу
других видов разряда и применяется в газоразрядных
фотоэлементах. На основе тлеющего разряда создана
многочисленная группа ламп, обладающих примерным
постоянством напряжения между электродами при изме-
41
нениях тока, текущего через прибор. К этой группе отно-
сятся стабилитроны, тиратроны с холодным катодом, не-
оновые лампы, знаковые индикаторы, декатроны и дру-
гие приборы.
В лампах дневного света применяется аномальный
тлеющий разряд.
Дуговой разряд отличается большой плотностью то-
ка, поэтому он применяется в приборах большой мощнос-
ти — в выпрямителях и преобразователях электрического
тока, в регуляторах частоты вращения двигателей, в ге-
нераторах электрических сигналов с током в десятки и
сотни ампер, в газоразрядных источниках света, напри-
мер в ртутных лампах.
В приборах с твердым катодом (к ним относятся газотроны и
тиратроны) дуговой разряд происходит вследствие термоэлектрон-
ной эмиссии накаленного катода с активированной поверхностью в
сильном электрическом поле Такой катод способен обеспечить высо-
кую плотность тока между электродами. Однако твердые катоды
весьма чувствительны к перегрузкам, так как при возросшей скоро-
сти ионов иа катоде образуются кратеры, активированный слой раз-
рушается и срок службы прибора сокращается.
Удобными, надежными н долговечными приборами с дуговым са-
мостоятельным разрядом считаются ртутные вентильные лампы. Ка-
тод у них выполнен нз жидкой ртути. Ртуть обладает низкой темпе-
ратурой плавления (—39° С) н парообразования, кроме того, малой
работой выхода электронов, низким потенциалом ионизации
= 10,4 В). Широко известны приборы с ртутным катодом—экситро-
ны и игнитроны.
Коронный разряд обладает свойством разделять за-
ряженные частицы с последующим их осаждением на
электродах, он применяется в сооружениях для очистки
газов, жидкостей, проветривания помещений от пыли, а
также в электронных приборах для подсчета элементар-
ных заряженных частиц и в устройствах для защиты от
высоких напряжений.
Искровой разряд часто наблюдается при атмосферном
давлении как вредное явление. Полезное применение он
находит в станках для электроэрозионной обработки раз-
личных материалов и в разрядниках для защиты аппара-
туры от перенапряжений.
2.3.	ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ
Стабилитроны применяются в выпрямителях и элек-
тронных блоках с разветвленными цепями питания, где
они стабилизируют выпрямленное питающее напряжение
42
между выходными электродами, т. е. поддерживают его
неизменным при значительных колебаниях тока нагруз-
ки или напряжения питающей сети. Стабилитроны рабо-
тают только в цепях постоянного тока.
Стеклянные и'ли керамические баллоны стабилитронов наполняют
смесью инертных газов под давлением (2-5-4)! О3 Па. Металлические
электроды имеют коаксиальную конструкцию’ анод в виде стержня
окружен цилиндрическим катодом. Для снижения напряжения воз-
никновения разряда на катоде имеется специальный штырь, направ-
ленный в сторону анода. Стабилитрон включается параллельно на-
грузке и вместе с ней — последовательно с балластным резистором
к питающей цепи (рис. 2.3).
Из ВАХ стабилитрона (рис. 2.4) следует, что напря-
жение стабилизации UCt остается примерно постоянным,
пока ток стабилитрона изменяется в пределах от Imin ДО
Imax, поэтому падение напряжения на резисторе /?б уве-
личивается, а напряжение между электродами стабили-
трона остается практически неизменным.
Оптимальным режимом работы стабилитрона счита-
ется такой, при котором ток нагрузки /н равен среднему
току стабилитрона /ст,ср. Тогда сопротивление балласт-
ного резистора подсчитывается по формуле.
/?б = (г/с-17ст)/(/ст,ср + /н).
Стабилитроны даже одного типа нельзя соединять парал-
лельно, так как при этом невозможно обеспечить одно-
временность их запуска и одинаковый режим работы.
Однако для повышения стабилизируемого напряжения
их часто соединяют между собой последовательно.
Для примера приведем параметры стабилитрона типа СГ18С,
часто применяемого в осциллографах: напряжение возникновения
43
разряда 1500 В, напряжение стабилизации 1000 В, ток стабилизации
от 10 до 60 мА, изменение напряжения стабилизации Д1/О1«50 В,
балластное сопротивление 10 кОм, диапазон температур окру-
жающей среды от —60 до +100° С.
Неоновые лампы применяются для работы в качестве
световых индикаторов электрического напряжения, в ре-
ле времени и в простейших генераторах пилообразного
напряжения. Они выполняются в виде стеклянных бал-
лонов различной конфигурации и размеров с двумя элек-
тродами; катод покрыт тонкой активной пленкой, напри-
мер бария, для снижения напряжения зажигания. Давле-
ние смеси инертных газов (2-1-5) 103 Па. Неоновые лам-
пы могут работать на постоянном и переменном токе.
Чтобы в лампе не возник дуговой разряд, последователь-
но с ней включается ограничивающий резистор, сопротив-
ление которого подсчитывается по формуле Re — (Uc—
—Uа}II, где Vc — напряжение сети, £7СТ— напряжение
стабилизации (свечения) и/ — ток лампы.
Тиратроны тлеющего разряда — безнакальные мало-
мощные управляемые газоразрядные приборы, применяе-
мые в импульсной технике, в ЭВМ, в генераторах раз-
личных форм напряжения, в электронных блоках авто-
матики.
В стеклянном малогабаритном баллоне со смесью
инертных газов помещены катод, анод, один или два уп-
равляющих электрода (сетки). Катод имеет форму ци-
линдра, с внутренней стороны активированного цезием;
анодом является молибденовый стержень; сетка в виде
диска с отверстием расположена между катодом и ано-
дом.
Принцип действия состоит в том, что между катодом и
сеткой поддерживается вспомогательный тнхий разряд током в не-
сколько микроампер, облегчающий отпирание тиратрона. Как только
иа аноде появится напряжение возникновения разряда, тиратрон
отпирается, между катодом и анодом проходит анодный ток в не-
сколько миллиампер; этот ток может вызвать срабатывание электро-
механического реле.
В тиратроне с двумя сетками к катоду и аноду подведено такое
напряжение, при котором лампа заперта, хотя и существует подго-
товительный разряд между катодом и первой сеткой. Тиратрон от-
пирается лишь после поступления управляющего положительного им-
пульса напряжения на его вторую сетку.
Тиратрон ТХ11Г имеет параметры: напряжение возникновения
разряда 200 В, положительное напряжение на сетке в импульсе 35 В,
анодный ток 10 мА, ток подготовительного разряда не более 100 мкА.
Знаковые и линейные индикаторы — лампы тлеющего
разряда, предназначенные для визуального отсчета и
44
контроля в вычислительном технике, автоматике и изме-
рительной аппаратуре.
В стеклянном баллоне знакового индикатора помещен
набор электродов, состоящий из аиода и катодов в форме
знаков — цифр или букв (рис. 2.5). Наряду с лампами
цилиндрической формы, у которых цифры высвечивают-
ся с торца, промышленность
баллоном прямоугольной
формы — с боковым направ-
лением индикации. При по-
даче положительного импуль-
са на один из катодов меж-
ду ним и анодом происходит
Рнс. 2.5. Устройство десятикатод-
иого знакового индикатора.
выпускает индикаторы с
разряд в газовой смеси, сопровождаемый ярким свечени-
ем данного символа. Напряжение на катоды поступает
из электронных блоков цифровой информации.
В линейных индикаторах газовый разряд сопровож-
дается свечением столба, длина которого пропорциональ-
на протекающему току или напряжению. Линейные ин-
дикаторы применяют вместо стрелочных электроизмери-
тельных приборов. Из индикаторов различных типов
изготавливают табло для контроля технологических про-
цессов или для отображения статистической информации.
Отдельные типы газоразрядных индикаторов, напри-
мер ИН 13, в совокупности с электронным переключате-
лем используются для контроля напряжения и тока, ско-
рости движения, высоты подъема жидкости, давления,
температуры, расхода топлива и других электрических и
неэлектрических параметров.
Приведем некоторые параметры индикатора ИН 13:
напряжение возникновения разряда 140 В, напряжение
поддержания разряда 105 В, ток разряда 3 мА, высота
светящегося электрода — 120 мм, индикация — боковая,
яркость свечения 300 кд-м-2.
Декатрон — газоразрядный прибор для цифрового
счета импульсов в десятичной системе счисления; дека-
трон удобно использовать в качестве бесконтактного ком-
мутатора (переключателя) электрических цепей в нзме-
45
рительной технике. В баллоне смонтированы анод и не-
сколько декад катодов, расположенных по окружности
вокруг анода. Счет импульсов в декатроне происходит
вследствие последовательного переноса тлеющего разря-
да с одного катода на другой; первая лампа считает до
девяти, а десятый импульс передается на первый катод
второй лампы, сотый импульс передается на третью лам-
пу и т. д.
2.4.	ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ (ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ) ЛАМПЫ
К газоразрядным лампам относится большая группа
приборов, работающих при дуговом разряде в газе. Наи-
более распространены люминесцентные лампы, которые
выполняются в виде стеклян-
ных трубок различной конфи-
гурации. На рис. 2.6 показана
в разрезе конструкция лампы
и схема ее включения в сеть
переменного тока. В торцах
Рнс. 2 6. Газоразрядная лампа Л
н схема ее включения в электри-
ческую сеть
трубки размещены два накаливаемых вольфрамовых
электрода 1 и 2 с активным покрытием, например
оксидированных. Электроды присоединены к токоподво-
дящим штырям 3, укрепленным в цоколях на торцах лам-
пы. В баллон (трубку) введен инертный газ и дозиро-
ванная капля ртути, а стенки с внутренней стороны по-
крыты люминесцирующим составом (люминофором).
Для возникновения разряда в лампе ее электррды не-
обходимо подогреть и на короткое время создать между
ними напряжение, соответствующее точке Е (см. рис.
2.2). Лампу включают в осветительную сеть Последова-
тельно с балластным сопротивлением в виде дросселя Др;
к другим штырям лампы (параллельно ей) присоединен
стартер Ст. Дроссель—индуктивная катушка со сталь-
ным магнитопроводом — обладает способностью резко
увеличивать напряжение при разрыве цепи с током. Пос-
ле зажигания лампы дроссель имеет большое индуктив-
ное сопротивление xl=»<bL,
48
Стартером является неоновая лампа, один из электро-
дов которой выполнен биметаллическим. После включе-
ния выключателя К она светится некоторое время, а би-
металлический электрод нагревается и срабатывает, за-
мыкая цепь электродов 1 и 2, что обеспечивает их разо-
грев. Эмиттированные с электродов электроны ионизиру-
ют смесь газов, в лампе возникает разряд, а стартер отк-
лючается. Температура в баллоне быстро повышается,
пар ртути ионизируется, и лампа заполняется плазмой.
Ее ультрафиолетовое излучение взаимодействует со сло-
ем люминофора на стенках, который испускает видимое
излучение. Люминесцентные лампы обладают спектраль-
ным составом излучения, близким к солнечному, поэто-
му они находят широкое применение в промышленности,
в научных исследованиях, в медицине, в быту.
J.S. ГАЗОТРОНЫ И ТИРАТРОНЫ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА
Газотроны и тиратроны несамостоятельного разряда
отличаются от рассмотренных тем, что их катоды приспо-
соблены для нагрева электрическим током. В электрон-
ной технике применяются приборы с катодом как непос-
редственного, так и косвенного накала. В газотронах
имеется только два рабочих электрода — катод и анод,
в тиратронах, кроме того, добавлены один, два и более
управляющих электродов (сеток). Газотроны применя-
ются для выпрямления тока в выпрямителях малой и
средней мощности, тиратроны — в управляемых выпря-
мителях, преобразователях электрического тока, в им-
пульсных устройствах.
Газотроны обладают ВАХ, похожей на характеристи-
ку стабилитрона с тлеющим разрядом. Однако имеются
существенные различия в газоразрядных процессах этих
ламп. Накаленный катод газотрона эмиттирует большое
количество электронов, концентрация которых в плазме
достигает высоких значений. Благодаря этому сильно
возрастает плотность тока, и газовый разряд в лампе
становится дуговым. Для зажженного газотрона харак-
терно малое падение напряжения между электродами
(15—20 В) и соответственно мощность потерь сравни-
тельно невелика. Сглаживающие фильтры газотронного
выпрямителя начинаются не с конденсатора, а с дроссе-
ля— выпрямленное напряжение на входном конденсато-
47
ре увеличивает амплитуду обратного напряжения между
электродами, что приводит к быстрому разрушению ка-
тода.
Приведем параметры одного из газотронов, выпускаемых про-
мышленностью, ТГ1-2/16: напряжение накала 5,7—6,9 В, ток накала
менее 16 А, напряжение возникновения разряда менее 500 В, наи-
большее значение обратного напряжения на аноде 16 кВ, наиболь-
ший ток в цепи анода 7 А, температура окружающей среды 15—
5б° С, баллон стеклянный, размеры 137X53 мм.
Тиратроны с накаленным катодом, так же как и газо-
трбны, обладают дуговым разрядом с высокой плотнос-
тью тока. Схема конструкции тиратрона приведена на
рис. 2.7. Сетка 2 выполнена в виде диска с отверстиями,
установлена между анодом 1 и тепловым экраном 3, ок-
ружающим катод 4. Все электроды смонтированы в бал-
лоне 5.
Сетка тиратрона не позволяет плавно управлять
анодным током, ее назначение — управлять моментом
возникновения дугового разряда (зажиганием лампы).
Ее функция объясняется тем, что во время работы сетка
окружена плазмой: при отрицательном напряжении к ней
будут стремиться положительные ионы, а при положи-
тельном — электроны. Соответственно плазма возле сет-
ки обогащается положительными ионами либо обедня-
ется ими и тем самым компенсируется любой управляю-
щий потенциал на ней, в обоих случаях существует зна-
чительный сеточный ток. Запереть тиратрон можно толь-
ко отключением анодного напряжения или его снижени-
ем до напряжения гашения.
Баллон лампы во время работы заполнен высококон-
центрированной плазмой, поэтому конструкция сетки,
экрана и других электродов должна предотвращать воз-
никновение произвольных разрядов между отдельными
участками электродов во избежание их повреждения.
Рабочие свойства тиратрона описываются пусковой и
анодной характеристиками. Пусковая характеристика
определяет зависимость возникновения дугового разряда
от напряжений на сетке и аноде.
Например, чтобы отпереть лампу при напряжении на
сетке Uci (рис. 2.8) к аноду необходимо подвести напря-
жение	а при Ua — UC2 — напряжение ил>ил2,
иначе разряд в лампе не возникнет.
Возникновение разряда в газотронах и тиратронах зависит от
конструктивных особенностей, давления газа, температуры окружа-
ющей среды й других факторов; поэтому пусковая характеристика
48
Представляется областью, ограниченной минимальными и максималь-
ными значениями напряжений (на рис. 2.8 она заштрихована).
Анодная характеристика напоминает харак-
теристику стабилитрона.
Достоинством газотронов и тиратронов с несамостоя-
тельным разрядом являются высокий КПД, малое внут-
реннее сопротивление, простота устройств управления за-
жиганием и др.; к недостаткам относятся высокая чувст-
Рис. 2.7. Тиратрон с накалива-
емым катодом.
Рис. 2.8. «Пусковая» характе-
ристика тиратрона.
вительность к перегрузкам в анодной цепи и недокалу
катода.
Параметры тиратрона с подогревным катодом ТП-1/0,8: напря-
жение и ток накала 6,3 В и 3 А, наибольшее обратное напряжение
на аноде 800 В, среднее значение тока в цепи анода 1 А, постоянное
напряжение запирания второй сетки (7С^15 В, падение напряжения
на приборе не более 15 В, размеры 130X61 мм, температура окру-
жающей среды от —60 до +70° С.
2.6.	РТУТНЫВ ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Газоразрядные приборы с катодами нз жидкой ртути называют-
ся ртутными вентилями. Наличие ртути и ее разреженного пара
(Ю~8—10* Па) позволяют получить очень большие — до нескольких
тысяч ампер — выпрямленные токи при напряжениях 3—5 кВ н более.
Упрощенная схема устройства одного из ртутных вентилей —
экситрона — показана на рис. 2.9. Нижнюю часть колбы — донннцу —
заполняют небольшим количеством ртути (0,5—1,5 кг). Металличе-
ский электрод со ртутью — катод —имеет вывод на внешнюю
часть колбы для присоединения к другим элементам выпрямителя.
Рабочие аноды Ai, Аг, As, изготовленные, как правило, из графита,
установлены в верхнем поясе колбы. Неподалеку от катода распо-
ложены один или несколько так называемых пусковых анодов Ая.
4-107
49
Промышленность производит приборы небольшой мощности о
тремя рабочими и несколькими пусковыми анодами и приборы боль-
шой мощности с одним рабочим и одним пусковым анодами.
В трехфазных выпрямителях катод подключают к средней точке
вторичной обмотки трансформатора, а аноды — к выводам этой об-
мотки.
Ртутный вентиль имеет одностороннюю электрическую проводи-
мость. Рассмотрим принцип его действия. До включения напряжения
пространство колбы заполнено разреженным паром ртути, состоящим
из нейтральных молекул.
При включении напряжения (по-
ложительным полюсом — к одному
из рабочих анодов, отрицательным —
к катоду) между этими электродами
появляется электрическое поле, кото-
рое ионизирует тем большее количе-
ство молекул ртути, чем выше на-
пряжение и сильнее электрическое
поле. При определенных значениях
напряжения ионизация доминирует
Рнс. 2.9. Ртутный треханодиый экси-
трон.
над рекомбинацией и весь междуэлектродный объем заполняется
плазмой. В поле еще большей напряженности упорядочивается дви-
жение частиц: электронов — в одну сторону — к аноду, ионов — в
другую — к катоду. Между электродами образуется газоразрядный
столб, один конец которого находится вблизи катода, другой — у
анода. Ртуть обладает высокой эмиссионной способностью, а графи-
товый анод электронов не испускает. На поверхности ртути появ-
ляется светящееся катодное пятно, площадь которого увеличивается
при возрастании тока.
Ток в дуговом разряде между электродами проходит только в те
моменты времени, когда на аноде действует положительный потен-
циал, а на катоде — отрицательный. Прн смене полярности тока в
колбе нет.
Описанный дуговой разряд может произвольно возникнуть толь-
ко при очень высоких напряжениях. Поэтому такой способ включе-
ния на практике не применяется. Для облегчения процесса возникно-
вения разряда в ртутных вентилях предусмотрены пусковые аноды
Ап. По способу пуска приборы разделяют на экситроны и игнитроны.
В экситронах пусковые аноды подключаются к обмоткам пуско-
вого понижающего трансформатора. Прн покачивании колбы ртуть,
переливаясь, кратковременно замыкает цепь катод — пусковой анод;
между ними возникает и непрерывно поддерживается вспомогатель-
ный дуговой разряд, который распространяется на рабочие элект-
роды.
Игнитроны (обычно одноанодные ртутные вентили) имеют по
одному пусковому электроду — нгнайтеру, конец которого утоп-
лен в ртуть. Он изготовлен из карбида бора, не смачивается ртутью,
химически с ней не реагирует и термически устойчив. Благодаря иг-
50
найтеру вспомогательный разряд возникает синхронно с положитель-
ным напряжением на анодах. Запуск игнитронов производится с
помощью специальных электронных пусковых блоков.
2.7.	УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ
Газоразрядные приборы обозначаются буквенно-цифровым шиф-
ром, нанесенным на корпусе прибора. Первые буквы обозначают:
ТХ — тиратроны тлеющего разряда с холодным катодом; ТХИ — то
же импульсные; СГ — стабилитроны напряжения с газовым напол-
Рис. 2.10. Графические символы газоразрядных приборов.
а — стабилитрон, б — тиратрон с холодным катодом и двумя сетками; в—зна-
ковый индикатор; г — линейный индикатор; д — неоновая лампа, е — газо-
разрядная (дневного света) лампа; ж — двухаиодиый тиратрон с катодом кос-
венного накала, з — игнитроН.
неннем; ИН — индикаторы тлеющего разряда; А —декатроны. После
букв стоит число, указывающее порядковый номер конструкции при-
бора. Следующим элементом шифра является буква, указывающая
на вид конструктивного оформления: Б, Г, П, С — в стеклянном бал-
лоне с диаметром соответственно 6, 10, 19 и 22 мм, К —керамичес-
кий баллон, например СГ16П: стабилитрон с газовым наполнением,
16-й конструктивный вариант, П — стеклянный баллон диаметром
19 мм.
Шифр ртутных вентильных приборов также состоит из букв
и цифр, например ИВП-500/5 — игнитрон одноанодный, с водя-
ным охлаждением, с запаянным металлическим корпусом, для под-
вижных установок на номинальный средний анодный ток 500 А при
допустимом обратном напряжении 5 кВ.
Графические символы газоразрядных приборов приведены на
рис. 2.10.
Контрольные вопросы
1.	Объясните особенности устройства и принцип работы отдель-
ных газоразрядных приборов.
2.	Как развиваются электронно-нонные процессы между элект-
родами газоразрядной лампы в разреженной газовой среде? Поясни-
те, какие участки ВАХ соответствуют рабочим процессам отдель-
ных видов газоразрядных приборов.
3.	Как устроены н работают: а) газотроны и тиратроны; б) га-
зоразрядные лампы дневного света; в) стабилитрону; г) цифровые
и линейные индикаторы? Поясните схемами, графиками и форму-
лами.
4.	Определить сопротивление резистора /?в (см. рис. 2.3), если
ток через стабилитрон при отключенной нагрузке составляет 30 мА;
4*	51
входное напряжение (7с=170 В, напряжение на стабилитроне (/«=
= 150 В.
б. Расскажите о роли управляющего электрода (сетки) в газо-
разрядном приборе
6 Назовите достоинства н недостатки ртутных вентильных при-
боров.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Основной элементной базой современных электрон-
ных устройств являются полупроводниковые приборы.
Они отличаются от электровакуумных высокой экономич-
ностью и надежностью работы. Класс полупроводнико-
вых приборов составляют диоды, биполярные и полевые
транзисторы, тиристоры и многие другие приборы, прин-
цип действия которых основан на электрофизических
процессах в полупроводниках.
К полупроводникам относится большое количество
материалов, которые по многим признакам занимают
промежуточное положение между проводниковыми и ди-
электрическими. Наибольшее применение в полупровод-
никовой технике получили кремний, германий, галлий,
селен и такие химические соединения, как арсенид гал-
лия, карбид кремния, сульфид кадмия и т. д. Полупро-
водники отличаются от других твердых кристаллических
материалов электропроводностью, энергетическим состо-
янием кристаллов, характерной зависимостью электри-
ческих свойств от температуры, излучений и других внеш-
них воздействий. Контролируя электронные процессы,
можно управлять электрическим током в полупроводни-
ковых приборах.
3.1.	ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Электропроводность — важнейшее свойство твердых
тел — объясняется движением свободных электронов
(утративших валентную связь с ядрами атомов). Такие
электроны могут перемещаться между атомами и взаи-
модействовать с другими электронами, ядрами и электри-
ческими полями. По электропроводности все вещества
условно разделяют на проводники, полупроводники и ди-
52
электрики. Проводники (металлы) имеют удельную элек-
трическую проводимость <г=1074-103 См-м"1, полупро-
водники о=103-Н10~8 См-м-1 и диэлектрики ст=10~84-
-4-10-15 См-м-1. Полупроводниковые материалы разделя-
ют на собственные и примесные.
Собственными полупроводниками называются полу-
проводники, не содержащие примесей, влияющих на их
электропроводность. К ним относят-
ся многие элементы четвертой груп-
пы таблицы Д. И. Менделеева.
В кристаллах этих элементов каж-
дые два соседних атома объеди-
Рнс 3 1. Плоскостная модель строения
кристалла кремния
йены орбиталями двух валентных электронов; такая
связь называется парноэлектронной или ковалентной.
Плоскостная модель строения кристалла кремния пока-
зана на рис. 3.1. В узлах кристаллической решетки поме-
щены атомы Si, состоящие из ядер’ и внутренних элек-
тронных оболочек. Валентные электроны (кружоч-
ки) — по четыре на каждый атом — образуют внешние
орбитали так, что каждый из электронов принадлежит не
одному, а сразу двум соседним атомам (орбиты условно
обозначены стрелками).
В предельно чистом по составу полупроводнике при
температуре О К все валентные электроны прочно удер-
живаются на своих орбиталях, свободных электронов не
имеется, электрическая проводимость равна нулю, полу-
проводник обладает свойствами идеального диэлектри-
ка. Отрыв валентных электронов от атома может быть
осуществлен при воздействии теплоты, сильного электри-
ческого поля, излучения и т. д. С повышением темпера-
туры возрастает амплитуда колебаний атомов кристалла,
при этом некоторые валентные электроны отрываются от
своих атомов и становятся электронами проводимости.
Они перемещаются относительно свободно в пространст-
ве между узлами кристаллической решетки и способны
создавать электрический ток. При обрыве ковалентной
связи нарушается электрическая нейтральность двух со-
седних атомов, которые приобретают при этом элемен-
53
тарный положительный заряд. Вакантное место в этих
атомах заполняет валентный электрон другой соседней
пары; освободившееся место электрона второй пары ато-
мов занимает электрон третьей пары и т. д. Подвижный
положительный заряд, образующийся в кристалле при
отрыве валентного электрона, условно назвали дыркой,
а процесс образования пары зарядов электрон— дырка—•
генерацией подвижных зарядов. Генерация зарядов од-
новременно сопровождается их рекомбинацией — восста-
новлением разрушенных связей.
При отсутствии внешнего электрического поля элек-
троны и дырки перемещаются беспорядочно, и кристалл
в целом остается нейтральным. Внешнее электрическое
поле упорядочивает движение, причем электроны и дыр-
ки перемещаются в противоположных направлениях, со-
здавая ток через кристалл одного направления. Различа-
ют электронную (n-типа) и дырочную (p-типа) электро-
проводности. В собственном полупроводнике электрон
проводимости и дырка появляются одновременно, поэто-
му концентрация электронов п» равна концентрации ды-
рок рц т. е. ni=pt (индекс i означает «собственный»).
Примесные полупроводники, электропроводность ко-
торых определяется примесями, обладают резко выра-
женной электронной или дырочной электропроводностя-
ми. Эффект повышения электрической проводимости объ-
ясняется присутствием в кристалле полупроводника ато-
мов элементов иной валентности. Примеси с валентностью,
большей четырех, дающие избыток свободных электро-
нов, называются донорными; примеси с валентностью,
меньшей четырех, увеличивающие количество дырок, на-
зываются акцепторными. Схема кристалла кремния, в
котором один атом основного вещества замещен атомом
пятивалентного мышьяка, приведена на рис. 3.2, а.
Мышьяк образует четыре ковалентные связи с соседни-
ми атомами кремния, а его пятый валентный электрон
оказывается «лишним». При низких температурах (О К)
этот электрон еще удерживается около ядра мышьяка,
но уже при небольшом повышении температуры сила свя-
зи ослабляется, электрон отрывается и становится носи-
телем отрицательного заряда, а атом мышьяка превра-
щается в положительный неподвижный ион. В целом
кристалл остается электрически нейтральным, так как
положительные заряды ионов уравновешиваются отрица-
тельными зарядами электронов проводимости. Электро-
54
проводность полупроводника с донорной примесью назы-
вается электронной или электропроводностью п-типа.
Кроме мышьяка часто используются фосфор, сурьма и
другие элементы.
Для получения резко выраженной дырочной электропроводности
(p-типа) в полупроводник вводится какой-либо из трехвалентных
элементов -»бор, алюминий, индий и др. Механизм дырочной элект-
ропроводности примесного полупроводника показан на рис. 3.2, б.
Атом бора В, внедрившись в узел кристаллической решетки, образу-
Рис. 3.2. Схемы замещения
(а) и атомом бора (б).
одного атома кремния атомом мышьяка
ет лишь три ковалентные связи с соседними атомами кремния; чет-
вертая ковалентная связь заполняется электроном одной из соседних
пар атомов. Прн этом примесный атом превращается в неподвижный
отрицательный ион, а у двух соседних атомов кремния возникает
дырка, которая может блуждать по всему кристаллу.
Электрическая проводимость собственных полупроводников ма-
ла потому, что в общем количестве атомов вещества (около
10м см-3) при комнатной температуре возникает небольшая концент-
рация электронов проводимости п, и дырок pt (около 2,5-1013 см~3).
Примесная электропроводимость существенно превзойдет собствен-
ную, если концентрация Nd атомов донорной примеси или Na ато-
мов акцепторной примеси будут превышать концентрацию собствен-
ных носителей пг=рг. Так, например, введение в кристалл полупро-
водника прнмесн с концентрацией 1018—1016 см-’ увеличивает коли-
чество соответствующих носителей зарядов на несколько порядков
(прн комнатной температуре). Прн этом nn^Nd или рР«Ма, где
пп — концентрация электронов проводимости в полупроводнике
п-типа, а рр — дырок в полупроводнике p-типа. Между концентра-
циями электронов и дырок в полупроводниках существует соотно-
шение Ппрп—Пррр=п1 = р2{ . Поэтому в примесном полупроводнике
носителей заряда одного знака больше, чем носителей заряда дру-
гого знака; первые из них называются основными, вторые — неоснов-
ными носителями зарядов.
55
Зонная модель полупроводников. Электронные про-
цессы в собственных и примесных полупроводниках
удобно анализировать по диаграммам энергетического
состояния. Такая диаграмма отдельного атома показана
на рис. 3.3, а. На вертикальной оси отражено возраста-
ние энергии электронов W, горизонтальными линиями
отмечены дискретные значения (уровни) энергии. При
абсолютном нуле ядро атома колеблется слабо, и все
валентные электроны, обращаясь по своим орбиталям,
имеют минимальное дискретное значение энергии №в. При
повышении температуры отдельные электроны, получив
строго определенное приращение энергии — квант энер-
гии, отрываются от своего атома и перескакивают на но-
вый энергетический уровень, соответствующий на диа-
грамме либо возбужденному состоянию №Взб, либо пол-
ному удалению из атома №и (атом становится ионом).
Энергетическое состояние группы связанных атомов (кри-
сталла), приведенное на рис. 3.3,6, отличается тем, что
уровни энергии валентных электронов расщеплены в
энергетические зоны: валентную ВЗ, запрещенную 33 и
зону проводимости ЗП. Зоны введены для того, чтобы
объяснить воздействие на валентные электроны как соб-
ственного, так и соседних атомов.
Нижний уровень каждой из зон называют дном зоны,
а верхний уровень — потолком. Различная ширина зон
является характеристикой, отличительным признаком
каждого из веществ; ширина зон измеряется в электрон-
Рис. 3.3. Зонная модель энергетического состояния одного атома чи-
стого полупроводника (а) н группы атомов (б); графическое пред-
ставление функции Ферми—Дирака, характеризующей энергетиче-
ское состояние чистого полупроводника (в), полупроводника с до-
норной примесью (г) и с акцепторной (<?),
Wu — граница зоны проводимости.
66
вольтах (эВ). Так, у металлов (проводников) валентная
зона перекрывается с зоной проводимости и запрещенная
зона отсутствует; у полупроводников при комнатной
температуре запрещенная зона Д1Гз]3<3 эВ (у чистого
германия A№3,3—0,67 эВ, у кремния Д№3.3=1,11 эВ); у
диэлектриков ДЙ73,3>3 эВ. Вероятность заполнения
электроном энергетического уровня W при температуре Т
определяется статистической функцией Ферми — Дирака
[/U7 \1 — 1
1+ехр—,	(3.1)
\ к! /J
где ехр х—ех — обозначение экспоненциальной зависи-
мости (е=2,718 — основание натуральных логарифмов,
х — аргумент экспоненциальной функции); k— 8,73Х
ХЮ-® — постоянная Больцмана, эВ/K; Т— абсолютная
температура, К; Wp— энергетический уровень Ферми
(или энергия Ферми), зависит от физических свойств ве-
щества.
Графическая зависимость этой функции показана на
рис. 3.3, в. Вертикальная ось — значения энергии; по
оси абсцисс отложена вероятность заполнения электро-
нами соответствующих энергетических уровней. График
в виде ломаной линии соответствует температуре 0 К и
показывает, что при этой температуре все уровни валент-
ной зоны заполнены электронами полностью (вероятность
р = 1), а вероятность присутствия электронов в зоне про-
водимости равна нулю. Горизонтальный участок кривой
1 проходит посредине запрещенной зоны, где электроны
находиться не могут вследствие принципа дискретности.
При повышенной температуре, например 300 К, часть
электронов убывает в валентной зоне и появляется в зо-
не проводимостй, причем на нижних уровнях этой зоны
их больше (кривая 2 на рис. 3.3,в). При значительном
росте температуры второе слагаемое функции (3.1) стре-
мится к 1, а вероятность распределения электронов по
энергиям — 0,5. Уровень, вероятность заполнения кото-
рого соответствует 0,5, называется уровнем Ферми (энер-
гией Ферми WP).
Энергетическая (зонная) диаграмма примесного по-
лупроводника n-типа показана на рис. 3.3, а. Пятые
электроны донорных атомов из-за слабой связи с атома-
ми располагаются в пределах запрещенной зоны на рас-
стоянии от дна зоны проводимости (для кремния
Д№л«0,05 эВ, для германия Д^'п = 0,01 эВ). Вследст-
Б7
вие этого график функции распределения электронов
и уровень Ферми, для которого /п—0,5, смещаются тем
выше относительно середины запрещенной зоны, чем
больше концентрация примесных атомов.
Энергетическая (зонная) диаграмма дырочного полу-
проводника приведена на рис. 3.3,5. Энергетический
уровень примесных атомов с недостающими валентными
электронами сдвинут ближе к валентной зоне. В резуль-
тате уровень Ферми и симметричная кривая функции
(3.1) также смещаются вниз относительно середины за-
прещенной зоны на Д1Гр.
При чрезмерной концентрации примеси примесный
энергетический уровень расщепляется в зону и перекры-
вается соответственно с зоной проводимости или валент-
ной зоной. При этом уровень Ферми оказывается в зоне
проводимости или в валентной зоне. Такие полупровод-
ники называются вырожденными-, они применяются для
создания туннельных диодов.
Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.
Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядо-
ченного движения электронов и дырок под действием
внешнего электрического поля. Он создается электрон-
ной /Пдр и дырочной /РДр составляющими
/др = /ддр + /ддр = S (/пдр + /рдр),
где S — поперечное сечение кристалла, м2; /п др и Jp др —
плотности электронного и дырочного дрейфового тока,
А/м2.
Плотность тока зависит от концентрации электронов
п, дырок р, их подвижности р. и напряженности электри-
ческого поля Е. Подвижность р,, м2/(В-с), равна сред-
ней скорости перемещения заряда при напряженности по-
ля Е—1 В-м-1 [для германия р,л=0,39 м2/(В-с);	=
—0,19 м2/(В-с)]. Суммарная плотность дрейфового то-
ка подсчитывается по формуле
/др = 4(V-nn + pPp)E.
Диффузионный ток создается движением заряженных
частиц (электронов и дырок) из областей кристалла с
повышенной концентрацией в область, обедненную но-
сителями. Диффузия совершается за счет собственной
энергии теплового движения частиц. Диффузионный ток,
как и дрейфовый, образуется из электронной и дырочной
58
составляющих. Плотность электронного и дырочного
диффузионных токов определяется из соотношений:
^пдаф = qDn dn/dx и /рдаф =— qDp dp/dx.
Коэффициенты Dn и Dp, называемые коэффициента-
ми диффузии электронов и дырок соответственно, опре-
деляются количеством носителей, проходящих через еди-
ничную площадку за 1 с (для германия ОП=9,4Х
ХЮ-3 м2-с-1, Dp—4,4-10—3 м2-с-1). Знак «—» учитывает
фактическое направление дырочного тока (навстречу
электронному). Плотность диффузионных токов зависит
также от градиентов концентрации носителей, характери-
зующих изменения концентрации носителей на бесконеч-
но малых расстояниях:
gradn = dn/dx, gradp — dp/dx.
Суммарная плотность диффузионного тока
*^диф = ^пдиф + *^рдиф = Я	Dp
3.2.	ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Электронно-дырочный переход является рабочим эле-
ментом многих полупроводниковых приборов и инте-
гральных микросхем.
Электронно-дырочным или р-п переходом, называется
тонкий приконтактный слой между двумя частями полу-
проводникового кристалла, одна из которых обладает
электронной, а другая — дырочной электропроводностью.
Такой слой получается легированием кристалла донор-
ной и акцепторной примесями при технологической об-
работке (сплавлении двух заготовок, диффузии одного
вещества в другое, внедрении примеси в выращиваемый
кристалл и т. д.). Электронно-дырочные переходы под-
разделяют на симметричные и несимметричные, резкие и
плавные, переходы на границе разнородных полупровод-
ников с различной шириной запрещенной зоны (гетеро-
переходы). Р-п переход обладает уникальными свойст-
вами: несимметричной электропроводностью, изменяемой
по нелинейному закону емкостью, сильной зависимостью
электрического тока от различных внешних факторов—•
температуры, излучений, магнитных и электрических по-
лей.
59
Полупроводник с р-п переходом показан на рис. 3.4, а.
Одна его часть легирована донорной примесью и обла-
дает электронной электропроводностью, другая содер-
жит акцепторную примесь и имеет дырочную электро-
проводность. Электроны проводимости с концентрацией
пп и дырки с концентрацией рР являются основными но-
сителями зарядов, они показаны
окружностями со знаками «—»
и «+» внутри. Как в одной, так
и в другой областях кристалла
имеется небольшая концентрация
неосновных носителей зарядов:
дырок рп в электронной части
(небольшие окружности) и элек-
тронов пр (жирные точки) в ды-
рочной части. Р-п переходом меж-
ду обеими частями является слой
толщиной dp.n. Переход вы-
полнен резким (со скачкообраз-
ным изменением концентрации
примесей на границе областей)
и несимметричным, поскольку
концентрация акцепторов значи-
тельно превышает концентрацию
доноров (например, We=1017
см-3, jVd = 1014 см-3, рис. 3.4,6).
При комнатной температуре ато-
мы акцепторов и доноров можно
считать полностью ионизирован-
ными: ppXiNa, nn^Nd.
Рис. 3 4. Р-п переход н его характери-
стики.
Процессы в р-п переходе обусловлены разли-
чием концентраций электронов и дырок в кристалле. До
момента слияния р- и n-части были электрически нейт-
ральными. После слияния происходит диффузия основ-
ных носителей — дырок — из p-области в n-область и
электронов — из n-области в p-область; возникает тсик
диффузии /дИф = /р диф+^n диф, направление которого сов-
падает с направлением диффузии дырок.
60
Электрические заряды в переходе перераспределяют-
ся, электрическая нейтральность кристалла нарушается.
Проникающие через переход основные носители интен-
сивно взаимно рекомбинируют, поэтому в обеих прослой-
ках уменьшается концентрация подвижных носителей —
дырок и электронов. В приконтактных слоях р- и «-об-
ластей возникают пространственные заряды: в р-области
отрицательный заряд нескомпенсированных ионизиро-
ванных акцепторов (дырки уходят в «-область или ре-
комбинируют с пришедшими оттуда электронами), в
«-области положительный заряд ионизированных доно-
ров, не скомпенсированных электронами (рис. 3.4, в),
В результате около границы раздела областей образует-
ся двойной слой пространственного заряда. Вследствие
усиленной рекомбинации он обеднен подвижными носи-
телями зарядов и обладает малой удельной проводимо-
стью; его называют запирающим слоем (ЗС).
Запирающий слой неоднороден, так как средняя глу-
бина проникновения диффундирующих частиц уменьша-
ется с возрастанием их концентрации. Это объясняется
сокращением времени существования (времени жизни)
частиц в обогащенной ими прослойке перехода. Элект-
рическая нейтраль оказывается смещенной в сторону об-
ласти с меньшей концентрацией примеси. В общем случае
толщина р-п перехода определяется примерным равен-
ством
dP-n ~=dp+dntt
2еоегЦ<
Я
где dp и dn — приконтактные прослойки р- и «-областей;
ео=8,85-10~12 Ф/м— электрическая постоянная; ег — от-
носительная диэлектрическая проницаемость вещества;
UK — контактная разность потенциалов.
Как следует из формулы, толщина запирающего слоя
одного и того же р-п перехода зависит от различных
факторов.
Пространственные заряды создают электрическое по-
ле р-п перехода с максимальной напряженностью на гра-
нице изменения знака заряда (рис. 3.4, г). Возникает
разность потенциалов <р0, которую называют потенциаль-
ным барьером (рис. 3.4,д). Поле тормозит диффузию ос-
новных носителей через переход. В то же время поле
подхватывает появившиеся вблизи перехода неосновные
61
носители пр и рп и перебрасывает их в соседнюю область.
Движение неосновных носителей пр и рп через переход
создает дрейфовый ток (две его составляющие), направ-
ленный противоположно диффузионному току. Дрейфо-
вый ток, называемый тепловым, обусловлен нагревани-
ем кристалла; его называют также обратным током, по-
скольку он противоположен току диффузии. В общем
случае через переход протекает суммарный ток 1Р-п =
=ЛшФ—Л>- При отсутствии внешнего воздействия ток
диффузии уравновешивается током дрейфа, ' поэтому
I р-п — 0.
Изменение разности потенциалов удобно проследить
по диаграммам энергетического состояния кристалла с
р-п переходом, показанным на рис. 3.4, е. По вертикаль-
ной оси откладываются значения энергии валентной зо-
ны №в, запрещенной зоны WB и зоны проводимости Wn,
которые обозначены горизонтальными линиями. Слева
от р-п перехода уровни энергии соответствуют полупро-
воднику с акцепторной примесью (индий, алюминий и
др.). Валентные электроны расположены на энергетиче-
ском уровне, находящемся в непосредственной близости
от зоны валентных электронов собственного полупровод-
ника; уровень Фермы также смещен ближе к валентной
зоне. Справа от перехода помещены энергетические зо-
ны донорного полупроводника (n-типа). Энергетический
уровень валентных электронов пятивалентной примеси
располагается вблизи зоны проводимости основного по-
лупроводника; вверх сдвинут и уровень Ферми. При те-
пловом равновесии энергетические уровни, искривляясь,
устанавливаются так, чтобы уровни Ферми обеих частей
расположились по прямой линии. Разность потенциалов,
эВ, Д<р0=|^пп—WBP\/q определяется отрезком между
уровнями Ферми и валентной зоны WBp с одной
стороны перехода, уровнями и зоны проводимости
Wnn— с другой стороны перехода (рис. 3.4, е).
Вольт-амперная характеристика являет-
ся графической зависимостью протекающего через р-п
переход тока от приложенного к нему внешнего напря-
жения	Она приведена на рис. 3.5, а и состоит из
прямой ОА и обратной ОВС ветвей; на вертикальной оси
отложены значения прямого и обратного тока, а на оси
абсцисс — значения прямого и обратного напряжения.
Кристаллы с р-п переходом, присоединенные к внешнему
источнику, показаны на рис. 3.5, б, в.
62
Напряжение от внешнего источника, подведенное к
кристаллу с р-п переходом, практически полностью со-
средоточивается на обедненном носителями переходе.
В зависимости от полярности возможны два варианта
включения постоянного напряжения — прямое и обрат-
ное. При прямом включении (рис. 3.5, б) дырочная часть
(p-область) полупроводника присоединяется к положи-
тельному зажиму внешнего
источника, а электронная
часть («-область)—к отри-
цательному. Внешнее элект-
рическое поле направлено
навстречу внутреннему и
частично или полностью ос-
лабляет его, снижает высо-
ту потенциального барьера,
Рис. 3.5. Вольт-амперная характе-
ристика р-п перехода (в) при пря-
мом (б) и обратном (в) включе-
нии.
уменьшает толщину перехода. Основные носители заря-
да перемещаются к границе перехода, а обладающие на-
ибольшей энергией переходят через границу в противо-
положную область, создавая диффузионный прямой ток.
По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток
возрастает; инжектированные носители, углубившись в
толщу кристалла, рекомбинируют с основными носите-
лями этой области, но пока подключен внешний источ-
ник, ток через переход поддерживается непрерывным
приходом электронов из внешней цепи в «-область и
уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря че-
му восстанавливается концентрация дырок в р-области.
Обратное внешнее напряжение (p-область присоеди-
няется к отрицательному, а «-область — к положительно-
му выводу источника) создает электрическое поле, сов-
падающее с полем р-п перехода; потенциальный барьер
возрастает, ток диффузии основных носителей практиче-
ски обращается в нуль. Поскольку поблизости от перехо-
да количество основных носителей уменьшается, его тол-
щина и электрическое сопротивление возрастают.
68
Вольт-амперная характеристика перехода описывает'
ся аналитической функцией
JP.n “ 'о (eI//<₽r- 1) = ;0(ехр^-- 1),
где U — приложенное к переходу внешнее напряжение
соответствующего знака; 10—1т — обратный (тепловой)
ток р-п перехода; qr — kT/q— температурный потенциал
(при Т^ЗОО К «0,26 В). При прямом напряжении
(£7>0) - экспоненциальный член быстро возрастает
[ехр(Г7/фг)»1], единицей в скобках можно пренебречь и
считать /»7ДИф. При обратном напряжении (t/<0)
экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через
переход практически равен обратному току: 1р.п =—Iq.
Емкость р-п перехода. Полупроводник с р-п перехо-
дом можно рассматривать как конденсатор, обкладками
которого являются р- и «-области кристалла, разделен-
ные переходом. Различают барьерную и диффузионную
емкости р-п перехода. Барьерная емкость обусловлена
наличием обедненного носителями запирающего слоя,
расположенного между р- и «-областями, которые запол-
нены положительными и отрицательными ионами среды.
Барьерная емкость Св зависит от площади запирающего
слоя 5, относительной диэлектрической проницаемости
ег, высоты потенциального барьера фо, толщины запира-
ющего слоя dp.n и приложенного напряжения U:
где CQ=e,re,oSp.n/dp.n — емкость при U=0.
Р-п переход с барьерной емкостью используется как
конденсатор переменной емкости, называемый варика-
пом. При обратном напряжении (U<0) на его зажимах
толщина запирающего слоя возрастает, емкость умень-
шается; при прямом напряжении (t/>0), наоборот, ем-
кость резко возрастает и может достигать нескольких
сотен пикофарад.
Диффузионная емкость р-п перехода СДИф образуется
при действии прямого напряжения (<7>0) внешнего ис-
точника. Инжекция носителей заряда из одной области
кристалла в другую сопровождается возникновением
около запирающего слоя зарядов противоположной по-
64
лярности. Следстием этого процесса является одновре-
менное изменение относительной диэлектрической прони-
цаемости слоя 8г и его электрического динамического
сопротивления. Поскольку сопротивление всякий раз
шунтирует переход, диффузионная емкость не оказывает
.существенного влияния на работу р-п перехода.
Пробой р-п перехода. При увеличении внешнего обратного на-
пряжения (Й<0) иа выводах р-п областей (рис. 3.5, а, кривая 1)
при некотором его значении обратный ток/0 монотонно, а затем рез-
ко возрастает (участок ВС) — происходит пробой перехода. Разли-
чают несколько видов пробоя.
Электрический пробой может быть туннельным и лавинным.
Туннельный пробой наблюдается в очень тонких р-п переходах при
обратных напряжениях до 10 В, прн которых возникает высокая
напряженность электрического поля. Под действием сильного элект-
рического поля валентные электроны прнконтактного слоя р-области
отрываются от атомов н перебрасываются и л-область.
Лавинный пробой инициируется также сильным электрическим
полем (около 107 В/м) н сиойствен полупроводникам со значитель-
ной толщиной р-п переходов.-В лавинном пробое основная роль при-
надлежит неосновным носителям, дислоцированным в переходе; они
разгоняются электрическим полем и ионизируют атомы. В свою оче-
редь, образовавшиеся новые электроны сталкиваются с другими со-
седними атомами и процесс лавинообразно нарастает. Оба вида
пробоя обратимы, протекают без разрушения кристаллической струк-
туры полупроводника.
Тепловым называется пробой р-п перехода, обусловленный ро-
стом количества носителей заряда прн повышении температуры кри-
сталла. С увеличением обратного напряжения н тока возрастает
тепловая мощность, выделяющаяся в р-п переходе, Р=(/обрЛ>бр и
его температура. Под действием теплоты усиливаются колебания
атомов кристалла и ослабевает связь валентных электронов с ними.
При том же обратном напряжении обратный ток растет (рис. 3.5,
кривая 2). Если электрическая мощность Р превысит максимально
допустимую мощность (Р>Ртах), процесс термогенерации лавино-
образно разрастается, р-п переход разрушается и в кристалле про-
исходит необратимая перестройка структуры.
3.3.	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды
Полупроводниковым диодом называется прибор, со-
держащий элемент с одним р-п переходом. Принцип дей-
ствия диодов основан на использовании односторонней
электропроводности, электрического пробоя и других
свойств р-п перехода. Диоды различают по назначению,
Используемым материалам, типам р-п переходов, конст-
руктивному исполнению, мощности и другим признакам.
Широко распространены выпрямительные, импульсные
диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы. Ос-
новными материалами для изготовления диодов являют-
5—107
65
ся кремний и германий с примесями трех- и пятивалент-
ных элементов, а также различные соединения типа ар-
сенида галлия. По конструктивному выполнению р-п
переходов диоды подразделяют на плоскостные и точеч-
ные. Плоскостные диоды изготовляют сплавным или диф-
фузионным методом, они обладают значительной площа-
дью перехода и предназначаются для использования в
цепях с большими выпрямлен-
ными токами.
Выпрямительные диоды
применяются для преобразо-
вания переменного тока в по-
стоянный.
Рнс. 3.6. Схема, поясняющая прин-
цип выпрямления переменного то-
ка.
Схема цепи выпрямления переменного тока показана
на рис. 3.6. Преобразовательным элементом является ди-
од, условное изображение которого нанесено на р-п
структуру. Сторона треугольника, от которой имеется вы-
вод, называется анодом, противолежащий ей угол с попе-
речной линией — катодом-. Аноду условного графическо-
го символа соответствует p-область, катоду — «-область.
Встречаются также диоды, аноду которых соответствует
«-область, а катоду — p-область (обратный диод). Кор-
пус диода электрически соединен с одним из электродов.
Переменными ЭДС называются такие, графики измене-
ния которых во времени состоят из последовательности
положительных и отрицательных полуволн или импуль-
сов. Когда на р-п структуру диода поступает полуволна
положительной полярности (на аноде —«+», на като-
де— «—»), р-п переход смещается в прямом- направле-
нии, т. е. высота потенциального барьера перехода сни-
жается (рис. 3.6), носители зарядов — дырки из р-обла-
сти и электроны из «-области, обладающие достаточной
кинетической энергией, легче преодолевают этот барьер
и обеспечивают протекание прямого тока в цепи (7щ> на
рис. 3.6); на нагрузке /?н выделяется напряжение в виде
положительных полуволн.
При появлении на диоде отрицательной полуволны
(на аноде «—», на катоде «+») разность потенциалов
66
р- и n-областей возрастает, суммарное электрическое по-
ле препятствует прохождению зарядов через переход, т. е.
запирает его; ток в нагрузке равен небольшому обратно-
му току /о, а напряжение на ней близко к нулю. Поляр-
ность напряжения на нагрузке сменится на обратную,
если в схеме поменять местами электроды диода. Опи-
санный процесс выпрямления переменного тока называ-
ется однополупериодным. В практике чаще применяются
двухполупериодные и другие варианты выпрямительных
схем. Выпрямленный ток зависит от суммарного сопро-
тивления отдельных участков электрической цепи и от
частоты переменной ЭДС. На высоких частотах прояв-
ляется инерционность диода, обусловленная емкостью
между его электродами и накоплением заряда в его ка-
тодной части; носители заряда не успевают рассасывать-
ся, амплитуда обратного тока повышается, и днод теряет
свои выпрямляющие свойства.
Параметры выпрямительных диодов характеризуют
электрические и эксплуатационные свойства и подразде-
ляются на статические и динамические.
Статические параметры свойственны диодам, работа-
ющим при постоянном напряжении; к ним относятся пря-
мой (выпрямленный) ток 7Пр, наибольшее допустимое об-
ратное напряжение t/ocp, падение напряжения на диоде
при номинальном значении прямого тока Unp, обратное
сопротивление /?Обр, максимально допустимая мощность,
рассеиваемая диодом Ртах, рабочий диапазон температур
ДГ и др.
Динамические параметры отражают реакцию диодов
на малые приращения тока (напряжения), а также ча-
стотные свойства прибора. Ими являются дифференци-
альное сопротивление = емкость диода Сд и
граничная частота frp, на которой выпрямленный ток
уменьшается в J/2 раз.
Выпрямительные диоды малой мощности (до 1 Вт) подразделя-
ют на плоскостные и точечные. Конструктивный вариант плоскост-
ного днода показан на рис. 3.7. На медном основании 1 с крнстал-
лодержателем установлен германиевый или кремниевый кристалл 2
с р-п переходом. Сплавление кремниевой пластины с таблеткой
мышьяка, обладающей электропроводностью p-типа, было выполнено
в вакууме заранее. Атомы мышьяка — доноры — проникли в расплав,
который при остываиин превратился в сильно легированный полу-
проводник n-типа, в результате образовался р-п переход. Одновре-
менно был присоединен внутренний проволочный вывод 3. Он про-
ходит внутри трубки 4, запаянной в стеклянном изоляторе 5, кото-
5*
67
рый смонтирован на корпусе 6. Приваренный к основанию корпус
надежно защищает полупроводниковый элемент от механических по-
вреждений и улучшает отвод теплоты от р-п перехода во время ра-
боты. Диод включают в цепь при помощи гибких выводов 7, присо-
единенных к его электродам.
В практике часто требуется получать выпрямленное напряжение,
величина которого превышает допустимое обратное напряжение кон-
кретного типа диодов. В этом случае диоды соединяют последова-
Рис. 3 8. Выпрямительный диод
большой мощности.
Рнс. 3.7. Конструкция диода
малой мощности.
тельно. Но поскольку обратные сопротивления диодов имеют зна-
чительный разброс, то для равномерного распределения обратных
напряжений параллельно каждому диоду необходимо включать ре-
зистор, сопротивление которого меньще наименьшего из обратных
сопротивлений диодов. В случаях, когда требуется получать выпрям-
ленный ток, больший, чем допустимый для одного диода, применя-
ется параллельное включение диодов. Для высоковольтных выпрями-
телей промышленность изготовляет выпрямительные столбы и блоки
из последовательно соединенных диодов, заключенных в общий
корпус, с допустимыми обратными напряжениями до 10—20 кВ.
Диоды средней мощности на токи до 10 А и напряже-
ния до 600 В относятся к плоскостным, так как имеют
относительно большую площадь р-п перехода. Кремни-
евые и германиевые диоды допускают плотность тока в
10s и 2- 10s А на 1 м2 поверхности р-п перехода. Внешне
они часто похожи на диоды малой мощности (рис. 3.7).
Отличие заключается в том, что на корпусе 1 имеется не
проволочный электрод, а стержень с резьбой, предназ-
наченный для установки диода на металлическом карка-
68
се устройства. Детали с хорошей теплопроводностью на-
дежно обеспечивают отвод теплоты, выделяющейся при
прохождении тока через р-п переход.
Выпрямительные диоды большой мощности на токи
до 2000 А применяются в качестве вентилей в мощных
выпрямительных установках производственно-технологи-
ческих агрегатов или электроприводов. Благодаря досто-
инствам, а именно: большие токовые нагрузки, высокие
напряжения, сложные условия эксплуатации, сравнитель-
но малые габаритные размеры и масса, высокая надеж-
ность, такие диоды получили широкое распространение.
Для мощных диодов применяются легированные герма-
ний с удельным сопротивлением’ порядка 0,15—0,2 Ом*м
или кремний с сопротивлением 0,5 Ом-м. Площадь плас-
тин выбирают с учетом допустимой плотности тока через
р-п переход.
Конструкция диода большой мощности приведена на рис. 3 8.
Корпус диода состоит из двух деталей — основания 1 и цилиндри-
ческого колпака 8. К медному основанию припаян полупроводнико-
вый элемент, состоящий из пластин легированного кремния 2 и алю-
миниевого сплава 3. Через вольфрамовую пластину 4 полупроводнико-
вый элемент соединен с медным наконечником 5, в котором за-
креплен вывод — многожильный проводник 7. Вывод зажат во втул-
ке, которая смонтирована в стеклянном изоляторе 6 на цилиндри-
ческой части корпуса 8. Торец основания имеет стержень с резь-
бой для крепления диода на охладительном радиаторе.
Протекание больших прямых токов по р-п переходу сопровожда-
ется выделением значительного количества теплоты. Для поддержа-
ния температуры в допустимых пределах (f<+75° С для германия
и f<+125° С — для кремния) применяется искусственное воздушное
или жидкостное охлаждение. Если, например, диод без охлаждения
рассчитан на ток 200 А, то с охлаждением он пропускает 300—400 А.
Воздушное охлаждение осущестиляется за счет передачи теплоты
от р-п перехода через детали диода радиатору. Охладительные ра-
диаторы с большой теплоизлучательной площадью изготовляют из
металлов с хорошей теплопроводностью. При необходимости приме-
няется принудительная вентиляция или циркуляция жидкости, уси-
ливающая отбор теплоты от радиатора. Жидкостное охлаждение
считается более эффективным, чем воздушное, ио оно создает не-
удобства в эксплуатации.
В разнообразных схемах выпрямления дноды соединяют парал-
лельно и последовательно с соблюдением полярности. На корпусе
диода указываются анод и катод; у диодов прямой полярности (р-
типа) корпус является катодным выводом. Встречаются также дно-
ды обратной полярности (п-типа) — с анодным выводом на корпусе.
Кроме германиевых и кремниевых диодов находят применение
селеновые н меднозакисные выпрямительные элементы. Селеновые
элементы изготавливаются нанесением селена на алюминиевые пла-
стины, а меднозакисные — окислением поверхности медных пластин.
Вольт-амперные характеристики таких элементов ие имеют резко
69
выраженного участка пробоя при высоком обратном напряжении.
Это свойство в ряде случаев считается положительным, так как в от-
личие от кремниевых н германиевых диодов селеновые и медноза-
кисные выпрямители не боятся перегрузок н самоиосстанавлнвают
электрическую прочность после пробоя.
Импульсные диоды, к которым относится большая
группа диодов, предназначенных для применения в им-
пульсных режимах работы, используются в электронных
схемах модуляции и демодуляции входных сигналов си-
стем автоматического регулирования, в информационно-
преобразовательных блоках вычислительных устройств,
в радиотехнических устройствах. Одно из важнейших
требований к иим — надежная работа в цепях с высокой
частотой, например до 500 МГц. Импульсные диоды об-
ладают высоким' быстродействием, т. е. малым временем
восстановления высокого обратного сопротивления при
изменении полярности приложенного напряжения с пря-
мой на обратную.
Улучшение временных параметров достигается снижением ем-
кости перехода и сокращением времени жизни носителей зарядов.
Этому требованию удовлетворяют диоды точечного типа. Конструк-
тивная схема днода с точечным р-п переходом показана на
рис. 3.9, а. Полупроводниковая пластина с «-электропроводностью
вырезана из монокристалла. К пластине приварен заостренный конец
алюминиевой, бронзовой яли вольфрамовой проволоки с примесями
индия или бериллия, обеспечивающих акцепторную примесь, которая
проникает в полупроводник при сваривании. Диод называется то-
чечным потому, что между микрообластью под острием проволоки,
куда проникли акцепторы, и пластиной образовался р-п переход с
линейными размерами, соизмеримыми с толщиной острия; такой пе-
реход обладает минимально возможной емкостью. Проволочный вы-
вод служит анодом ( + )> а проводник, припаянный к пластине с
противоположной стороны, — катодом (—). Вследствие небольшой
площади перехода (10—20 мкм2) мощность исчисляется нескольки-
ми десятками милливатт.
На рис. 3.9, б приведен диод с р-п переходом, получен-
ным по диффузионной технологии. На кремниевую пла-
стину с электропроводностью n-типа наносят слой окисла
SiOj, являющийся хорошим диэлектриком. Затем в за-
щитной окисной пленке химическим травлением образу-
ют «окно», через которое диффузией вводится акцептор-
ная примесь. Устройство заключается в защитный кера-
мический или пластмассовый корпус с проводниками.
Диоды, изготовленные по этому методу, обладают высо-
кой надежностью и стабильностью параметров.
В цепях с напряжением до нескольких киловольт при-
меняются выпрямительные столбы, состоящие из после-
70
довательно соединенных выпрямительных элементов,
объединенных в одном корпусе.
Стабилитроны — разновидность диодов, предназначен-
ных для стабилизации напряжения. Принцип стабилиза-
ции заключается в том, что в полупроводниковом крис-
талле (как правило, кремниевом), сильно легированном
примесями в обеих областях, с тонким и резко выражен-
Рис. 3 9. Конструктивные варианты та-
чечного днода.
Рнс. 3 10 Вольт-амперная характеристи-
ка стабилитрона.
ным р-п переходом, быстро развивается и устанавлива-
ется электрический пробой, при котором значительное
увеличение обратного тока (тока пробоя) происходит при
сравнительно низком и примерно постоянном обратном
напряжении (для каждого типа прибора). В р-п переходе
небольшой толщины при воздействии обратного напря-
жения возникает сильное электрическое поле с высокой
напряженностью (порядка 1,5-108 В/м), которое стано-
вится причиной электрического пробоя р-п перехода.
Типичная ВАХ стабилитрона приведена на рис. 3.10.
Прямой ток (кривая 1) в зависимости от напряжения из-
меняется, как у любого диода, по экспоненциальному за-
кону. Ветвь обратного тока характеризует рабочий ре-
жим стабилитрона. Рабочим участком стабилизации яв-
ляется диапазон изменения обратного тока от 1тгп до 1тах
в области электрического пробоя. Изменение тока проис-
ходит прн напряжении £7СТ, мало зависящем от тока
пробоя. В схеме стабилизации стабилитрон включается в
обратном направлении параллельно нагрузке и вместе с
ней—последовательно с балластным (ограничительным)
резистором /?б- На этом резисторе суммируются падения
напряжений, обусловленные токами /ст И /д. Сопротив-
ление резистора Re для выбранного режима стабилнза-
71
ции подсчитывается по формуле /?б= (Uc—(7Ст)/(/ст-г/н}>
где Uc — напряжение сети. Одним из параметров стаби-
литрона является температурный коэффициент стабили-
зации напряжения, Кг1, аСт = (1/(7ст) (А(7Ст/АТ), который
характеризует относительное изменение напряжения ста-
билизации при изменении температуры окружающей сре-
ды на один градус при среднем значении тока. Коэффи-
циент положителен при лавинном пробое (т. е. А(7СТ и
АГ одного знака) и отрицателен при туннельном про-
бое.
Промышленность выпускает стабилитроны малой, средней и
большой мощности: малой и средней на напряжение от 3 до 180 В
в цепях мощностью менее 10 Вт, большой мощности (10—50 Вт) на
напряжение до 400 В.
Туннельный диод отличается от стабилитрона значи-
тельно большей концентрацией легирующих примесей
р- и n-областей полупроводникового элемента (до 1021
см~3 атомов доноров или акцепторов) и очень тонким пе-
реходом (до 0,01 мкм). Вследствие высокой концентра-
ции примесей уровень Ферми в акцепторной р-областн
располагается внутри валентной зоны, а в донорной п-
области — внутри зоны проводимости. Границы энергети-
ческих зон прн образовании р-п перехода располагаются
так, что потолок валентной зоны p-области смещается
выше дна зоны проводимости «-области; области крис-
талла разделяются узким запирающим слоем, обеспечи-
вающим туннельные переходы между электронами. Раз-
личные фазы работы туннельного диода поясняются зон-
ными диаграммами состояния р-п перехода, показанны-
ми на рис. 3.11, а—г, и ВАХ диода на рис. 3.11,6.
При отсутствии внешнего напряжения на электродах
диода кристалл электрически нейтрален, так как передви-
жение носителей через переход в прямом и обратном на-
правлениях создает результирующий ток, равный нулю;
уровни Ферми расположены на одной прямой (рис. 3.11, а).
При небольшом прямом напряжении 0<(7пр-<(Л
перекрытие зон уменьшается (рис. 3.11,6); при этом
энергетические уровни электронов проводимости «-об-
ласти сдвигаются относительно уровней р-области,
не заполненных электронами; электроны переходят на
незаполненные уровни, возникает прямой туннельный ток
I (участок ВАХ 0—1). Увеличение напряжения до зна-
чения £7= [Л сопровождается ростом тока 7; при дальней-
шем' повышении напряжения (U>U\) энергетические
72
уровни с электронами n-области все более смещаются в
направлении запрещенной зоны p-области и ток I умень-
шается вплоть до точки С/=С/г. Эффект уменьшения то-
ка при увеличении прямого напряжения характеризует-
ся отрицательным, дифференциальным сопротивлением
rn—KU/KI<0. Минимуму тока через диод соответствует
нулевое перекрытие энергетических зон (рис. 3.11, в).
При прямом напряжении U>U2 уменьшается высота по-
Рнс. 3.11. Энергетическое состояние р-п перехода туннельного днода
при различных напряжениях на электродах (а—г) и его вольт-ампер-
ная характеристика (д).
тенциального барьера, происходит процесс диффузии но-
сителей через р-п переход и туннельный диод переходит
в режим’ работы обычного диода (рис. 3.11, г).
Варикап является полупроводниковым диодом, в кото-
ром р-п переход используется как электрически управля-
емая емкость. Принцип действия варикапа основан на
свойстве р-п перехода изменять барьерную емкость при
изменении внешнего обратного напряжения С=/((70бр).
Емкость варикапа имеет максимальное значение при низ-
ком напряжении и минимальное — при высоком.
Важнейшая роль в этом влиянии принадлежит толщи-
не р-п перехода (см. § 3.2). Основными электрическими
параметрами варикапов являются номинальная емкость,
добротность и коэффициент перекрытия по емкости. Но-
минальная емкость Сном — это барьерная емкость р-п
перехода в цепи с переменной ЭДС при среднем значе-
нии постоянного обратного напряжения, называемого на-
пряжением смещения (см. § 3J4). Для высокочастотных
варикапов (10—100 МГц) она равна нескольким десят-
кам, а для низкочастотных — нескольким тысячам пико-
фарад. Добротность является отношением реактивной
мощности варикапа к мощности потерь ф=Л?/Рр« 104-
4-100; она зависит от частоты, напряжения, температу-
ры и других факторов. Коэффициент перекрытия по ем-
73
кости есть отношение максимальной емкости варикапа к
минимальной!	Варикапы применя-
ются для автоматической подстройки частоты колеба-
тельных контуров в генераторах, усилителях и других
устройствах.
Система обозначения диодов в соответствии с ГОСТ
содержит цифровые и буквенные элементы, в которых заключен
|^|	м	NU* Рис. 3 12- Условное обозначение дио-
й ’ “Pli* дбв (а), стабилитрона (б) и варика-
а)	6)	ff)	па (в).
большой объем информации. Первый элемент — буква или цифра —
исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германий, К нлн
2 — кремний, А или 3 — арсеиид галлия. Обозначения с цифрой при-
сваиваются приборам, которые могут работать при повышенных
температурах.
Второй элемент — буква, обозначающая тип диода: Д — выпря-
мительные и преобразовательные, В — варикапы, А — сверхвысоко-
частотные диоды, И — туннельные диоды, С — стабилитроны и т. д.
Третий элемент — цифра — назначение диода (расшифровыва-
ется с помощью таблиц). Четвертый, пятый и шестой элементы —
числа от 01 до 999 — порядковый номер разработки технологическо-
го типа.
В обозначении стабилитронов третий элемент —
цифра — значение мощности, четвертый и пятый — числа от 01 до
99 — напряжение стабилизации. Шестой элемент — буква — отмечает
номер группы в технологическом типе.
Примеры обозначения: КД215А— диод кремниевый выпрями-
тельный для широкого применения средней мощности, номер разра-
ботки 15 группы А; КС568А— стабилитрон кремниевый, мощностью
не более 5 Вт, напряжение стабилизации 68 В, номер разработки А.
Условный шифр диодов большой мощности отли-
чается от шифра диодов малой н средней мощности. Буквы обозна-
чают: В — вентиль, В — с водяным охлаждением, Л — с лавинной
характеристикой, X —* обратная полярность диода; цифры — пре-
дельный ток в амперах и напряжение.
Пример обозначения: ВВ2-1000Х-12—1.65У2 — вентиль обрат-
ной полярности с водяным охлаждением, второго конструктивного
варианта, на предельный ток 1000 А, напряжение 1200 В, с прямым
падением напряжения на веитиде 1,65 В, исполнения У, группы 2.
Условное графическое обозначение некоторых типов
диодов даио на рис. 3.12.
3.4.	БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярным транзистором называется полупроводни-
ковый прибор, кристалл которого выполнен с двумя вза-
имодействующими р-п переходами. Основными материа-
лами для изготовления транзисторов, как и диодов, яв-
74
ляются германии и кремний; в качестве примесей исполь-
зуются мышьяк, фосфор, сурьма, индий, бор, галлий и др.
Транзисторы применяются для усиления и генерирова-
ния электрических колебаний и для коммутации электри-
ческих цепей.
Биполярные транзисторы различают по структуре
(р-п-р или п-р-п), по мощности (малой, средней и боль-
шой), по рабочим частотам (низкой, средней и высокой
частоты) и по другим при-
знакам. При изготовле-
нии транзисторных струк-
тур в промышленности
применяют различные
технологические методы-
сплавления, диффузии,
планарно-эпитаксиальный
и др.
Рис. 3.13. Устройство транзи-
стора, схема его включения в
цепь усиления сигналов (а) и
графики, поясняющие его рабо-
ту (б).
Устройство биполярного транзистора
р-п-р структуры показано на рис. 3.13, а. В слаболегиро-
ванной пластине монокристалла толщиной 0,15—0,2 мм
с электропроводностью n-типа с обеих сторон созданы
кристаллические слои с электропроводностью р-типа.
Средняя часть кристалла с электрическим выводом на-
зывается базой, одна из крайних — эмиттером, вторая—
коллектором. Между эмиттером, базой и коллектором
имеется два р-п перехода: эмиттерный 1 и коллекторный
2. Электропроводность базы может быть как электрон-
ной, так и дырочной; соответственно и транзисторы будут
иметь р-п-р или п-р-п структуру. Электроды транзистора
подключены к источникам постоянной ЭДС Еэ и Ек так,
что образовалось две электрические цепи — входная
(эмиттерно-базовая) и выходная (коллекторно-базовая),
Во входной цепи может быть включен источник колеба-
ний ИК, а в выходной — нагрузочный резистор /?к. При
использовании транзистора для усиления колебаний его
эмиттерный переход включается в прямом, а коллектор-
ный — в обратном направлении,
75
Принцип работы транзистора основан на
управлении токами электродов в зависимости от подве-
денных к его переходам напряжений. В общем случае
эти зависимости являются сложными, поэтому проведем
анализ на упрощенной модели транзистора без учета ря-
да факторов, влияющих на его свойства. При отсутствии
внешнего напряжения (£э и Ек на рис. 3.13, а равны ну-
лю) кристалл находится в состоянии энергетического
равновесия: все примесные атомы ионизированы, и уро-
вень Ферми находится в p-областях выше уровней акцеп-
торов, а в базовом слое (п-области)—ниже уровня
доноров (см. рис. 3.3, г, д). На обоих переходах устанавли-
ваются равные электрические потенциалы фо<О, пока-
занные на рис. 3.13, б пунктирной линией. Подъем потен-
циала в области базы до нуля объясняется ее присоеди-
нением к точке нулевого потенциала, т. е. к корпусу.
При подключении внешнего источника напряжения
Еэ к эмиттерному переходу (положительным полюсом к
эмиттеру, отрицательным — к базе) и при замкнутых на-
коротко электродах коллекторного перехода этот переход
окажется прямо смещенным, разность потенциалов
уменьшится на фб = фо+^эб, начнется движение носите-
лей — инжекция — дырок из р- в n-область. В области
базы часть носителей рекомбинирует с электронами, по-
ступакйцими от источника Ед', другая часть хаотически
блуждая, приблизится к коллекторному переходу и сво-
бодно пройдет через него при коллекторе, соединенном с
базой. В обеих цепях появится ток. Аналогичный эффект
будет получен в цепи коллектора при включении внешне-
го напряжения к коллекторному переходу (положитель-
ным полюсом к коллектору) и при замкнутых накоротко
выводах эмиттерного перехода. При изменении полярности
источника внешнего напряжения Ек, т. е. при отрица-
тельном напряжении на коллекторе, коллекторный пере-
ход окажется обратно смещенным. В области перехода
возникает сильное электрическое поле при разомкнутой
цепи эмиттера. Оно «втягивает» имеющиеся в базовом
слое неосновные носители — дырки, и поскольку их мало,
в цепи протекает небольшой ток /кбо, называемый обрат-
ным током коллектора (при 1э =0).
Одновременное включение источников Еэ и Е^ во
входную и выходную цепи транзистора с полярностью,
Показанной на рис. 3.13, а, сопровождается процессами:
уменьшается потенциал эмиттерного перехода на зна-
76
чение приложенного ко входу напряжения (фо—С/э-*О,
рис. 3.13,6); носители заряда (дырки) инжектируются
через эмиттерный переход,, электроны из базы переходят
в эмиттер и создается ток /э ;
коллекторный переход обратно смещен, разность по-
тенциалов возрастает: Аф = фо+£к, в этом переходе появ-
ляется сильное электрическое поле, направленное в сто-
рону коллектора;
поскольку Рэ^>пв, в базовой области небольшая
часть дырок рекомбинирует, остальные дырки, диффунди-
руя в направлении коллектора, попадают под действие
сильного электрического поля коллекторного перехода и
перебрасываются в коллекторную область (этот процесс
называется экстракцией); в коллекторной цепи протекает
значительный ток, равный аи/э > и (в том же направле-
нии) небольшой обратный ток 7кбо> т. е. 7К = аи7э + 7КБо,
где аи — интегральный коэффициент передачи тока эмит-
тера. Составляющая аи7э является управляемой частью
коллекторного тока; обратный ток 7кбо не зависит от со-
стояния эмиттерной цепи, поэтому его называют неуправ-
ляемым током коллектора.
Отметим некоторые конструктивные особенности транзистора,
повышающие эффективность его использования:
1.	Базовый слой имеет очень малую толщину (1—25 мкм),
вследствие чего инжектированные в него носители зарядов достигают
коллекторного перехода с меньшими потерями из-за рекомбинации.
Чтобы это условие выполнялось, толщина базы d должна быть
меньше диффузионной длины носителей (дырок) Lp, т. е.
2.	Резкое превышение концентрации примеси в области эмитте-
ра ЫаЭ над концентрацией примеси в базовом слое Л^Б; при ус-
ловии рэ >пБ прямой ток /э будет обусловлен носителями, ин-
жектированными из эмиттера в базу.
3.	Значительно большая площадь коллекторного перехода по
сравнению с площадью эмиттериого перехода; благодаря этому кол-
лектор обладает высокой эффективностью сбора носителей, инжек-
тированных из эмиттера.
4.	Концентрация носителей в коллекторной области несколько
меньше, чем в области эмиттера, но значительно больше, чем в об-
ласти базы: рк<Рэ> Рк-^ПБ- Вследствие этого с ростом отрица-
тельного напряжения 1/кБ расширяется коллекторный переход и со-
ответственно сужается база, благодаря чему уменьшается риск про-
боя перехода, но повышается вероятность пробоя базы — прокол ба-
зы. Эффект сужения базы называется модуляцией базы.
Биполярные транзисторы подразделяются на дрейфо-
вые и бездрейфовые. В дрейфовых транзисторах примесь
в толще базы распределена неравномерно: около эмит-
терного перехода концентрация основных носителей
7?
(электронов) больше, чем около коллекторного перехода
(примерно 1017 и 1014 см-3 соответственно). Градиент
концентрации обусловливает диффузионное перемещение
электронов в направлении в коллектору. Участок базы
около эмиттера становится положительно заряженным',
а участок, примыкающий к коллекторному переходу, —
отрицательно заряженным. В результате образуется
внутреннее электрическое поле, направленное в сторону
коллектора. При отсутствии внешнего напряжения оно
втягивает электроны из коллекторной области и направ-
ляет их движение в сторону эмиттера. Когда встречные
потоки уравновесятся, наступает состояние динамическо-
го равновесия с сохранением электрического поля. Если
к эмиттерному переходу подключено прямюе напряжение,
понижающее потенциальный барьер перехода, то внут-
реннее поле будет направлять инжектированные в базу
дырки к коллекторному переходу.
В бездрейфовых транзисторах примесь распределена
равномерно по всему объему базы. Они не имеют собст-
венного внутреннего поля, поэтому инжектированные из
эмиттера носители будут диффундировать в глубь базы
в направлении к коллектору под действием собственного
градиента концентрации. При этом дрейф носителей от-
сутствует.
Важнейшими параметрами, характеризующими ка-
чество транзистора, являются дифференциальный коэф-
фициент передачи тока из эмиттера в коллектор а и диф-
ференциальный коэффициент передачи тока базы р.
Коэффициентом передачи тока а называется отношение
приращения тока коллектора Д/r к вызвавшему его при-
ращению тока эмиттера Д/э при постоянном иапряженин
в цепи коллектора, т. е.
а = ДЛ/Д/апри =₽ const.
Современные транзисторы имеют а «0,954-0,99.
Дифференциальным' коэффициентом передачи тока
базы р называют отношение приращения тока коллекто-
ра к вызвавшему его приращению тока базы
Р = Д/к/Д/Б при (7кБ = const,
Из приведенных формул можно получить соотноше-
ние между коэффициентами
Д/к аД/э
Д/Б Д/э —аД/э
= -2— « —— > 1, если а « 1,
1—а 1 —а
78
Усилительные свойства транзистора. В реальных
автоматических устройствах часто встречается несоот-
ветствие между мощностью входного сигнала и мощнос-
тью исполнительного механизма. Входной сигнал имеет
малую мощность и нуждается в усилении. Это может
быть достигнуто усилением напряжения или тока или то-
го и другого одновременно. Усиление — это управление
относительно мощным энергетическим потоком в выход-
ной цепи с помощью малых затрат мощности сигнала во
входной цепи. На схеме рис. 3.13, а видно, что
А/К«А/э»так как а«1, но в эмиттерной цепи ток /эсо"
здается маломощным источником Еэ (эмиттерный пере-
ход включен в прямом направлении), а в коллекторной
цепи ток/к течет под напряжением |Ек|>|Еэ|. Это не-
равенство легко реализуется, поскольку коллекторный
переход включен в обратном направлении. Эффект уси-
ления заключается в том, что коллекторный ток /к — вы-
ходной ток в нагрузке-— развивает мощность, значитель-
но превышающую мощность тока /э в эмиттерно-базовой
(входной) цепи. Входной сигнал поступает от источника
колебаний ИК. Усилительное свойство транзистора за-
ключается в том, что ток /.э, создаваемый источником
входного сигнала (для постоянного тока — источником
Ес), а также его приращения |А/э] передаются в коллек-
торную цепь, где этот ток с соответствующими прираще-
ниями | Д/к| уже течет под действием ЭДС источника Ек,
которая значительно больше ЭДС Еэ. Входные сигналы
могут быть как сигналами медленно изменяющимися
(сигналами постоянного тока), так и сигналами перемен-
ного тока, частота которых изменяется в широких пре-
делах.
Способы включения транзистора. Транзистор включа-
ют в электрическую цепь так, чтобы один его электрод
являлся входным, второй — выходным, а третий — об-
щим для входа и выхода. В зависимости от этого разли-
чают три способа включения транзистора: с общей базой
(ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором
(ОК). Эти способы показаны на рис. 3.14 на примере
транзистора с п-р-п структурой.
В схеме с ОБ входной сигнал поступает на эмиттер,
а выходной сигнал снимается с коллектора (относитель-
но базы). Входным сопротивлением является сопротив-
ление прямо включенного эмиттерного перехода тран-
зистора. Выходное сопротивление обусловлено обратно
79
включенным коллекторным переходом, которое значи-
тельно больше прямого сопротивления эмиттерного пе-
рехода. Коэффициент усиления транзистора с ОБ по то-
ку для активной нагрузки примерно соответствует коэф«
фициенту передачи тока
К, «Ы /Ы « а = 0,95 ч-0,99 (UKB == const).
Л	t\ О	\ I\°	J
Рис. 3.14: Включение транзистора по схеме с общей базой (а), по
схеме с общим эмиттером (б) и по схеме с общим коллектором (в).
Коэффициент усиления по напряжению определяется
по формуле
К	~	аД/э Дя _ а
и Д6/вх Д^Э-^вхВ ДЛэ ^вхБ ^вхБ
Если, например, RBX =100 Ом-, 7?н = 1О3 Ом, а=0,95,
то Лц=0,95-103/!• 102=9,5. Коэффициент усиления по
мощности
= ^/“а Т5-«	10 « 9«
рвх Д/э^вх
Как усилительный элемент, транзистор с ОБ удобно
использовать в цепях с малым внутренним (выходным)
сопротивлением (например, в цепях пересчетных уст-
ройств для разветвления сигналов).
Схема с 03 (рис. 3.14,6)- применяется чаще других
схем. Общим электродом является эмиттер. Входной
сигнал постоянного или переменного тока поступает на
электроды база — эмиттер, сопротивление между кото-
рыми значительно больше, чем входное сопротивление в
схеме с ОБ: для транзисторов небольшой мощности
/?вх~1_-г-2 кОм; входной ток — ток базы /в — имеет не-
80
большое значение (/б <С 1 мА). Источником постоянного
тока в цепи базы является источник Ео (при отсоединен-
ном источнике переменного тока). Выходным сигналом
t/вых является падение напряжения на коллекторном пе-
реходе, обусловленное током , текущим через коллек-
торный переход и резистор RK. Источником питания
коллекторной цепи является источник ЭДС .
Коэффициент усиления транзистора с ОЭ по току для
активной нагрузки соответствует коэффициенту передачи
тока базы
А^к
Д/Б
д/к
д/э— Д^Б
1 —а
в отличие от схемы с ОБ транзистор в схеме с ОЭ обес-
печивает усиление по току.
Как и в схеме с ОБ, транзистор с ОЭ усиливает сиг-
налы н по напряжению
_ Л^вых _ Д^КЭ ~ о Ru
и Д^вх I Дб’эБ I Rbx3
Коэффициент усиления по мощности равен произве-
дению коэффициентов: Kp=KiKu = $2Rh/Rbx9>
Входное сопротивление определяется формулами!
_ Д1/ЭБ / __ д/э /?вхБ ~
*вхЭ~ Д/Б ~ Д/Б ~Р*вхБ’
Схема ОК, называемая еще эмиттерным повторите-
лем, приведена на рис. 3.14, в. Входной является цепь ба-
за — коллектор, выходной — цепь коллектор — эмиттер;
Общим электродом1 является коллектор, непосредственно
ц нему присоединен положительный зажим источника
£к. Нагрузка присоединяется к эмиттеру, в цепи которого
установлен резистор По коллектору проходит ток
/к = 'э— Аз •
Коэффициент прямой передачи тока для этой схемы
почти такой же, как и для схемы с общим эмиттером!
Д/^ Д/а	Д/^	1
К,« -2- ------------=-----------=	= 6 + 1 « р.
1	д/э—д/эа	1—а
Особенность схемы транзистора с ОК заключается в
том, что коэффициент усиления по напряжению Ки все-
гда меньше единицы, так как выходное напряжение £/Вых
в этой схеме практически составляет часть входного.
6—107
81
Другая особенность состоит в том, что выходной сигнал
совпадает по фазе со входным. Транзистор с ОК удобно
применять как согласующий элемент, включаемый в уст-
ройствах между высокоомной предшествующей цепью и
низкоомной нагрузкой. Отличительными свойствами схе-
мы с ОК считаются высокое входное сопротивление (до
100 кОм) и небольшое выходное сопротивление (менее
МЛ -Тк
-1 о ю га
-I Мяв
за о
О -а,1-а, г ив
а)
Рис 3 15. Статические входные
транзистора с ОБ.
(а) и выходные (б) характеристики
100 Ом), а также одинаковая фаза выходного сигнала
по сравнению со входным.
Статические характеристики являются графическими
зависимостями между токами, протекающими в цепях
транзистора, и напряжениями на его электродах. Эти
характеристики используются в расчетах и при анализе
электронных схем для определения оптимального режи-
ма работы транзистора. Для одной и той же схемы вклю-
чения возможны различные виды статических характе-
ристик, однако практически используются только два ви-
да семейств характеристик: входные и выходные. Оба
вида характеристик приводятся в справочниках для каж-
дого конкретного типа транзисторов; их можно опреде-
лить также экспериментально, пользуясь лабораторным
оборудованием.
Входные характеристики транзистора в схеме с ОБ
(рис. 3.15, а) представлены графиками 1э =f{UoB) при
Uks = const: значения тока /э отражены на вертикальной
оси, а напряжения £7эв — на горизонтальной; каждый из
графиков соответствует одному конкретному фиксиро-
ванному напряжению 17кб (0; 1; 10 В),
82
Графики являются обычными ВАХ диода, включен-
ного в прямом направлении. Отрицательное коллектор-
ное напряжение U^b влияет на толщину базы и распреде-
ление носителей в базе (на градиент их концентрации),
что обусловливает изменение тока эмиттера 1э и вееро-
образное смещение графиков. При увеличении напряже-
ния Ukb (вплоть до максимально допустимого значения)
графики смещаются влево. Относительно близкое распо-
ложение графиков свидетельствует о слабой зависимости
входных характеристик от коллекторного напряжения
С/кб. При коротком замыкании выводов базы и коллекто-
ра (17кб =0) ток эмиттера перераспределяется между ба-
зой и коллектором.
Если электроды входа замкнуты при Г/кб>0, через
эмиттерный переход наблюдается небольшой ток /?>0,
обусловленный напряжением на внутреннем сопротивле-
нии базы (так как через базу протекает обратный ток
/цбо) • Такой же небольшой ток /эво устанавливается и
при положительном напряжении на входе (Г7зб>0). Ре-
жим работы транзистора, при котором запирающее на-
ряжение подано не только на коллекторный, но и эмит-
терный переход, называется режимом отсечки.
Семейство выходных характеристик транзистора в
схеме с ОБ (рис. 3.15,6) состоит из зависимостей /к=
=/:(^кб) при /э= const. Графики коллекторного тока
аналогичны ВАХ диода, смещенным по оси обратного
тока. По установившейся традиции третий квадрант по-
казан на рис. 3.15,6 повернутым на место первого. При
входном токе /э=0 и напряжении Г7кб>0 в цепи коллек-
тора протекает неуправляемый обратный ток коллектора
/кбо- С увеличением тока 1э коллекторный ток возрастает
на Д/к=а/э—/кбо, что и отражено графиками, сдвину-
тыми с одинаковым интервалом от /э=0 до /э=3 мА
(рис. 3.15,6).
Режим работы транзистора, при котором эмиттерный
переход включен в прямом направлении (^эб<0), а
коллекторный — в обратном (Г7кб>0)» называется ак-
тивным (усилительным)', а режим работы, когда оба пе-
рехода оказываются прямо включенными (Г7эз<0>
Uкб <0) — режимом насыщения.
Небольшой наклон характеристик в активной области
объясняется влиянием напряжения Г7кб на толщину ба-
зы: при увеличении напряжения (по модулю) база сужа-
ется за счет расширения коллекторного перехода; ослаб-
6*
83
ляется рекомбинация в базовом слое и несколько возрас-
тает коэффициент передачи тока а, что и обусловливает
некоторое увеличение тока коллектора /к = а/э+Л<Бо при
/3=const. Наклон характеристик круто возрастает, ког-
да 17кб становится близким1 к напряжению пробоя р-п
перехода. Чтобы повысить напряжение пробоя, в коллек-
торную область при изготовлении вводят меньшую дозу
примеси. При небольших положительных напряжениях
Пкб выходные характеристики резко падают, оба пере-
хода оказываются включенными в прямом направлении;
при этом возникает встречный поток носителей из кол-
лекторной области.
Входные статические характеристики в схеме с ОЭ
приведены на рис. 3.16, а. Они отражают зависимость
тока базы от напряжения на входе Гб =f (£7бэ) при фик-
сированном напряжении UКэ—const. Если цепь коллек-
тора разомкнута (ток /к = 0), кривая проходит через на-
чало координат. При Напряжении £/кэ=0 (коллектор с
эмиттером замкнуты накоротко) и Г7бэ>0 оба перехода
соединены параллельно и подключены к источнику в
прямом направлении, что соответствует режиму насыще-
ния транзистора. При увеличении напряжения на коллек-
торе Г7кэ характеристики смещаются вправо и вниз от-
носительно начала координат, т. е. ток I б уменьшается.
Объясняется это сужением ширины базы, что сопровож-
дается ослаблением рекомбинации носителей в единицу
времени. Смещение же графиков вниз при малых напря-
жениях (£/кб<1 В) происходит потому, что оба пере-
хода оказываются включенными встречно, и базовый ток
становится разностным: 1ъ — 1э— /д. При дальнейшем
увеличении напряжения Г7кэ сдвиг входных характерис-
тик незначителен, и они практически совпадают. По-
скольку графики располагаются близко один от другого,
в справочниках обычно приводятся одна-две кривые.
Выходные статические характеристик^ в схеме с ОЭ
образуют семейство зависимостей I^=f(£7КЭ) при /б =
= const, т. е. тока коллектора от напряжения между кол-
лектором и эмиттером при различных фиксированных
токах базы (рис. 3.16,6). На семействе выделены три
области, свойственные трем режимам работы транзис-
тора: режим отсечки I, активный режим (усиления) II
н режим насыщения III. График, соответствующий току
базы/Б = /КБ0, проходит через начало координат и при
напряжении Пкэ^1 определяет границу зоны отсечки;
84
активная зона находится между зонами отсечки и на*
сыщения.
Выходные характеристики /к Для токов базы /б >0
не проходят через начало координат, а с увеличением
коллекторного напряжения | С7кэ| все более сдвигаются
вправо; коллекторный ток вначале резко возрастает
(при £/кэ<1 В) и затем плавно незначительно увеличи-
вается с ростом напряжения на коллекторе, вплоть до
Рис. 3.16. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики
транзистора с ОЭ.
(7Кэ < ^кэдоп. Резкий рост тока ПРИ небольшом уве-
личении коллекторного напряжения (в области малых
напряжений) Г7кэ происходит потому, что коллекторный
переход испытывает воздействие входного напряжения
С/вэ, смещается в прямом направлении (как и эмиттер-
ный переход) и остается в таком состоянии, пока коллек-
торное напряжение не превысит напряжение на эмиттер-
ном переходе й не переключит его в обратном направле-
нии. Графики смещаются вправо потому, что возросшее
Ьходное напряжение (при большем токе /б) компенсиру-
ется более высоким обратным напряжением Укэ- Харак-
теристики коллекторных токов сдвигаются вверх пример-
но на p/в, где Р«Д/к/Д/в~а/(1—а) — коэффициент пе-
редачи тока базы. Незначительный рост /к при /в= const
(наклон графиков) объясняется увеличением коэффици-
ентов передачи аир, что имеет место при увеличении
и Г/КЭ-
Статические характеристики транзистора в схеме с
ОК подобны характеристикам транзистора с ОЭ. Вход-
ной цепью транзистора является базово-коллекторный
переход, обладающий большим внутренним сопротивле-
85
нием, поскольку он смещен в обратном направлении. Уп-
равляющим током является небольшой ток базы /б; вы-
ходные токи (/э или /к) различаются незначительно.
Коэффициент передачи тока в этой схеме примерно
такой же, как и в схеме с ОЭ.
Динамическими характеристиками транзистора опре-
деляется режим работы транзистора, в выходной цепи
которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливав-
Рис. 3.17. Работа транзистора, включенного по схеме с ОЭ, в режиме
усиления.
мый сигнал. Динамический режим отличается от стати-
ческого сильным взаимным влиянием параметров тран-
зистора и элементов схемы. В этом режиме напряжение
источника питания непрерывно перераспределяется
между сопротивлением нагрузки /?к и выходными элект-
тродами транзистора в соответствии с формулой
^кэ ~ Ас *к-	$2)
Построение динамических характеристик осуществляют с целью
выбора оптимального режима работы транзистора. Исходными Яв-
ляются сведения о входном сигнале и мощности, отдаваемой в на-
грузку, а также взятые нз справочника статические входные и вы-
ходные характеристики и параметры транзистора соответствующей
мощности. На рис. 3.17 приведены схема транзистора р-п-р струк-
туры с общим эмиттером, входная и выходная статические харак-
теристики с графическими построениями входных и выходных сиг-
налов. На входе действует синусоидальное напряжение Um с ампли-
тудой около 0,05 В. Амплитуда входного тока /м составляет при
этом 0,1 мА. В коллекторной цепи включено сопротивление =
=330 Ом. Напряжение источника питания равно 10 В. Выходной
сигнал снимается с коллектора.
Расчет начинается с того, что на семействе выходных статичес-
ких характеристик проводится так называемая линия нагрузки МД
86
с рабочей точкой П. Абсциссу точки М находим, приняв в формуле
(3.2) Ук =0. Точка Д располагается на вертикальной оси тока /к.
’Для определения ее ординаты следует в уравнении (3.2) приравнять
нулю напряжение 7/кЭ ; тогда	=10/330= 0,03 =30 мА.
Рабочий участок линии нагрузки расположен между точками
А и Б. Середина участка совпадает с точкой 77.
Режим работы транзистора без искажений обеспечи-
вается тем, что напряжение входного сигнала не прево-
сходит расчетное значение и тем, что его ось симметрии
сдвигается на середину наиболее линейного участка вход-
ной характеристики в точку П'. Сдвиг осуществляется
подачей смещающего напряжения (в данном случае
£с~0,25 В) от источника смещения Ес (рис. 3.17, а, в).
При анализе динамического режима выясняется, что че-
рез транзистор и коллекторный резистор протекает ток
как при действии входного сигнала, так и при его отсут-
ствии. ЭтОт факт свидетельствует о наличии постоянных
составляющих тока и напряжения во входной и выходной
цепях (заштрихованные участки на графиках рис.
3.17,6—о). По динамическим характеристикам уточня-
ются фактические значения коэффициентов усиления,
мощности, КПД и других параметров. Параметры и ха-
рактеристики транзисторов сильно зависят от различных
условий.
Влияние температуры отражается на всех параметрах
и особенно сильно на собственном (неуправляемом) об-
ратном токе коллектора /цбо» который удваивается при
повышении температуры на каждые 10° С. С ростом тем-
пературы входные статические характеристики сдвига-
ются в область больших токов, поскольку снижает-
ся потенциальный барьер эмиттерного перехода и уси-
ливается диффузия носителей зарядов. Этот процесс
Приводит к увеличению тока коллектора на р/кво. В ре-
зультате рабочая точка П перемещается по линии нагруз-
ки выходных характеристик влево и вверх, симметрия
усиленного сигнала нарушается, что приводит к его ис-
кажению. Нагрев происходит от протекания тока по де-
талям транзистора, при переходе теплоты от располо-
женных поблизости блоков и окружающей среды.
Нестабильность напряжений источни-
ков питания— уменьшение или увеличение — также
может привести к асимметрии усиленного сигнала.
Частотные характеристики обусловлены инерцион-
ностью процесса диффузии носителей и емкостями пере-
87
ходов транзистора, что отражается на коэффициенте пе-
редачи тока (и напряжения). На предельной частоте
транзистора коэффициент передачи тока уменьшается в
1^2 раз. Транзистор работает в оптимальном режиме, ес-
ли не превышаются допустимые значения параметров —
максимальной мощности, токов, напряжений, частоты и
соблюдаются температурные ограничения.
-«- Рис. 3.18. Конструкция транзистора
большой мощности.
Рис. 3.19. Графические символы обо-
значения транзисторов.
а, б — р-п-р и п-р-п структур соответст-
венно; в — лавинного п-р-п структуры; г —
многоэмиттерного р-п-р структуры.
Условные обозначения транзисторов. Промышлен-
ность выпускает серийно большое количество типов биполярных
транзисторов. Велико разнообразие их внешнего оформления. На
рис. 3.18 приведена типичная конструкция транзистора большой
мощности (Р=5 Вт), например КТ802А. На медном основании 1
припаян кристалл 2, состоящий из кремниевой пластины р-типа 4
толщиной 0,15—0,25 мм н диаметром до 9 мм, являющейся базой.
Области эмиттера 3 и коллектора п-типа 5 созданы меза-планарным
методом: диффузией галлия (слой р базы) и диффузией атомов фо-
сфора (слой п эмиттера). Края переходов покрыты прочной пленкой
двуокиси кремния. Коллекторный слой припаян всей плоскостью к
массивному основанию для более интенсивного отвода теплоты; у
маломощных транзисторов базовый слой крепится на корпусе. Кри-
сталл закрыт корпусом 6. Электроды Б и Э выведены через стек-
лянные изоляторы 7.
Транзисторы обозначаются условным, шифром, состоящим нз
букв и цифр, отражающих исходный материал, мощность, номер
технологической разработки н номер группы данного типа.
Пример обозначения для транзистора 2Т802А: 2 — кремниевый,
Т — биполярный, 802 — большой мощности средней частоты, А —
группа разработки. В соответствий' с ЕСКД условное обозначение
биполярного транзистора показано на рис. 3.19.
3.5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевым транзистором называется трехэлектродный
полупроводниковый элемент, в котором ток между двумя
электродами возбуждается одним электрическим полем,
а управление этим током осуществляется со стороны
третьего электрода.
88
Различают два типа полевых транзисторов: с управ-
ляющими р-п переходами и. с изолированным затвором'
(МДП-транзисторы). По типу электропроводности они
подразделяются на транзисторы с каналом р- и л-типов.
Устройство транзистора с управляю-
щим p-каналом и схема его включения в цепь для
усиления электрических сигналов показаны на рис. 3.20.
На высоколегированные р+-примесью
торцы кремниевой пластины нанесены
металлические слои — электроды: один
из них, от которого начинают дрейф ос-
новные носители (в данном случае —
дырки), называется истоком И, другой—
стоком С; часть кристалла между ними,
слабо легированная той же примесью,
называется каналом. Резко несимметрич-
Рнс. 3 20. Устройство и принцип дей-
ствия полевого транзистора с управ-
ляющим р-п переходом.
ный р-п переход вдоль средней части канала образован
введением на небольшую глубину примеси другого типа
проводимости (n-типа) с высокой концентрацией носи-
телей. Невыпрямляющее металлическое покрытие этой
зоны с электрическим выводом является третьим элект-
родом, который называется затвором 3. (Аналогично мо-
жет быть получен полевой транзистор с управляющим
переходом и каналом л-типа.)
Принцип работы т р а нз и с т о р а основан на
прохождении тока по каналу, поперечное сечение которо-
го зависит от толщины р-п перехода. В конструкциях
транзисторов технологическая толщина канала h намно-
го превышает исходную (начальную) толщину запираю-
щего слоя d. Если соединить исток с положительным, а
сток с отрицательным зажимами источника питания, то
в цепи возникает ток 1с (Нал <0). Основные носители
зарядов (для данной структуры — дырки) под действи-
ем' приложенного поля будут двигаться от истока к сто-
ку. Входное напряжение, подведенное к затвору и ис-
току, t/зи^О создает поперечное (относительно канала)
электрическое поле, которое управляет площадью сече-
ния канала, воздействуя на запирающий слой обратно
89
включенного р-п перехода на участке затвор — исток.
Запирающий слой, расширяясь, перекрывает токопрово-
дящий канал и увеличивает его сопротивление. Напряже-
ние, при котором канал перекрывается полностью, назы-
вается напряжением отсечки
где q — заряд частицы; Wa — концентрация акцепторной
примеси в канале р типа; 8оИег— электрическая посто-
янная и относительная диэлектрическая проницаемость
кристалла соответственно.
В рабочем режиме (Г7си<0) по каналу протекает
ток 1с (рис. 3.20); если изменять напряжение на затворе
от 0 до Uзнак, то будет уменьшаться толщина канала и
соответственно ток 1с- При полностью перекрытом кана-
ле ток канала обращается в нуль, а в цепи стока течет
лишь м'алый остаточный ток — ток отсечки, равный в
^основном обратному току управляющего перехода (1с «
~/отс). Входное сопротивление при этом режиме оказы-
вается очень большим; управление током стока произво-
дится не входным током, а напряжением на затворе. Ес-
ли ко входу наряду с постоянным напряжением Г7зи под-
вести переменное напряжение, то поперечное электричес-
кое поле будет пульсирующим, периодически расширяю-
щим и сужающим канал. На выходе, в цепи стока, поя-
вится переменная составляющая тока, представляющая
собой усиленный электрический сигнал.
Статические характеристики поле-
вых транзисторов. Семейство выходных (или сто-
ковых) характеристик показано на рис. 3.21, а. Выходные
характеристики являются зависимостями тока стока /с
от напряжения между стоком и истоком /с=/(^ис) при
t/зи = const. На вертикальной оси нанесены значения то-
ка стока /с, иа горизонтальной—значения напряжения
иСн при Г7зи =0; 2,5; 5; 7,5 В. При относительно малых
значениях напряжнения Uси ток стока /с изменяется при-
мерно прямо пропорционально напряжению t/си (участок
АБ для графика Г7зи=0); наклон начальных участков
графикой зависит от проводимости канала, определяемой
напряжением' Г7зи = const.
При существенном повышении напряжения t/си про-
исходит сужение канала возле стока и уменьшение его
общей проводимости. Это происходит потому, что на уп-
равляющий переход в зоне стока воздействует обратное
90
напряжение, равное 7/зи + |^си|, которое вызывает его
расширение. С уменьшением проводимости канала рост
тока 1с сначала замедляется (точка В). Затем при t/зи +'
.+1 ^си| = ^зиотс ток достигает значения насыщения (точ-
ка Г), После чего остается примерно постоянным (не за-
висящим от | t/си | ^^зиотс—t/зи-) Напряжение и ток,
при которых наступает режим насыщения, называются
соответственно напряжением насыщения Ucamc и током
насыщения /снас. При относительно большом напряже-
нии t/си возникает электрический (лавинный) пробой —
точка Д на рис. 3.21, а.
Рис. 3.21. Статические выходные и входная характеристики полевого
транзистора.
Ток стока /снас очень сильно зависит от напряжения
на затворе Usu (при постоянном t/си); максимальный ток
/с наблюдается при t/зи =0 (короткое замыканре затво-
ра с истоком), так как канал при этом имеет максималь-
ное исходное рабочее сечение. С увеличением напряже-
ния | t/зи | канал сжимается, исходная проводимость его
падает, ток 7с соответственно уменьшается вплоть до ну-
ля (рис. 3.21, а), что и отражают графики t/зи, располо-
женные ниже графика t/зи =0.
Статическая стоко-затворная характеристика 1с—
=/(1/зи) при t/CH = const (рис. 3.21,6) очень напоминает
анодно-сеточную характеристику пентода (см. рис.
1.13, а); она представлена одним графиком, поскольку
все характеристики этого семейства для режима насыще-
ния, являющегося рабочим режимом, проходят очень
близко одна от другой.
Полевые транзисторы характеризуются статическими
дифференциальными параметрами (соответствующими
режиму насыщения),
91
Крутизна характеристики отражает эффективность
управляющего действия затвора: 5=<У7с/<КУзи~А/с/А1Узи,
мА/B, при Uал = const; соответствующие прираще-
ния А/с и Д[7зи могут быть найдены по статическим ха-
рактеристикам (рис. 3.21).
Активная составляющая выходной проводимости
gi~А/с/си при (7зи=сопз1. Обратная величина этого
параметра называется внутренним сопротивлением: Rt —
= ДСУси/Д^с; оно имеет значение от нескольких де-
сятков до сотен килоом.
Статический коэффициент усиления по напряжению
р= | ДС^си/Д^зи! при /c=const. Он показывает, во сколь-
ко раз изменение напряжения на затворе сильнее влияет
на ток стока /с, чем изменение напряжения на стоке.
Внутреннее уравнение полевого транзистора связывает
его параметры: p,=SRi (как и для электронных ламп, см.
§ 1-3).
Входное сопротивление Rm между затвором и исто-
ком (в схеме с общим истоком) при максимально допус-
тимом напряжении между этими электродами равно от-
ношению приращений напряжения и тока Лвх=А17зи/
Д/зи. Так как управляющий переход включен в обрат-
ном направлении, это сопротивление относительно вели-
ко— как обратное сопротивление полупроводникового
диода, что выгодно отличает полевой транзистор от би-
полярного.
Максимальная частота полевого транзистора обу-
словлена емкостью р-п перехода и внутренним сопротив-
лением канала f= (л^канСзи)'1.
Режим работы полевых транзисторов определяется
также эксплуатационными параметрами: допустимыми
междуэлектродными напряжениями и токами, допусти-
мой мощностью рассеяния на стоке, температурой нагре-
вания, напряжением отсечки (Узиотс, током утечки затво-
ра и т. д.
МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисто-
ров с управляющим р-п переходом тем, что электрод за-
твора изолирован от полупроводниковой области канала
слоем диэлектрика. Название данного типа транзисторов
обусловлено структурой кристалла: металл —диэлект-
рик— полупроводник (МДП). Применяется также ме-
нее точное название — МОП (металл — окисел — полу-
проводник). МДП-транзисторы подразделяются на две
92
конструктивно-технологические разновидности: с инду-
цированным и со встроенным каналами,
МДП-транзистор с индуцированным каналом (рис.
3.22, а) выполнен на основе кристаллической пластинки
1 слаболегированного n-кремния, называемой подлож-
кой. В толще подложки созданы две сильнолегированные
области 2 с противоположным относительно подложки
типом электропроводности р+. Металлические пленки 5
Рис. 3.22. Устройство МДП-транзисторов.
над ними с проволочными выводами являются электро-
дами истока И и стока С. Поверхность кристалла покры-
та диэлектрическим слоем двуокиси кремния SiOa 3, ко-
торый изолирует электрод затвора 3 от полупроводника
подложки. Области с высокой концентрацией носителей
р+ образуют с полупроводником р-п переходы, один из
них при любой полярности напряжения на стоке относи-
тельно истока оказывается включенным в обратном на-
правлении и препятствует протеканию тока /с.
В исходном состоянии, при отсутствии управляющего напряже-
ния на затворе, токопроводящий канал между истоком и стоком от-
сутствует. В рабочем режиме транзистора канал 4 возникает (инду-
цируется) под воздействием соответствующего напряжения на за-
творе. При отрицательном напряжении на затворе электрическое по-
ле через диэлектрик SiO2 проникает в толщу подложки, выталкивает
неосновные носители заряда (электроны) и. притягивает основные но-
сители — дырки, т. е. обогащает его дырками. Пропорционально кон-
центрации дырок и толщине канала увеличивается его проводимость
и соответственно ток стока. Минимальное (отрицательное) напряже-
ние иа затворе, при котором возникает ток стока (т. е. индуцирует-
ся канал), называется пороговым напряжением и обозначается
^ЗИпор •
МДП-транзистор со встроенным каналом показан на
рис. 3.22, б. Внешне он не отличается от транзистора с
индуцированным каналом. Различие состоит в том, что
токопроводящий канал 4 создают («встраивают») техно-
логическим путем в виде тонкого слаболегированного по-
лупроводникового слоя, объединяющего исток со стоком.
93
В тонком канале ток Iq возможен при нулевом напряжен
нии затвора, Отрицательное напряжение на затворе t/зи
выталкивает из канала электроны и втягивает дырки,
т. е. обогащает канал основными носителями и повышает
его проводимость, При положительном напряжении t/зи
канал будет обедняться основными носителями (дырка-
ми), а его проводимость уменьшаться пропорционально
концентрации носителей.
Рис. 3.23. Графические символы полевых транзисторов.
а, б — полевые транзисторы с управляющим п-р переходом с каналами р- и
n-типа соответственно; в — полевой транзистор с индуцированным каналом
р-тнпа; г — транзистор со встроенным каналом р-тнпа.
Возможны варианты МДП-транзисторов с индуциро-
ванным или Встроенным каналом n-типа. Статические
характеристики МДП-транзисторов подобны статическим
характеристикам полевых транзисторов с управляющим
переходом-. Основное отличие заключается в ином распо-
ложении стокозатворных характеристик относительно на-
чала координат.
Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть
включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком
(ОИ) и общим стоком (ОС). Отличительным свойством полевых тран-
зисторов является то, что управляющим сигналом является не ток,
а напряжение в цепи затвор — исток. Это делает их похожими иа
электронные лампы; благодаря этому свойству полевые транзисторы
обладают очень большими коэффициентами усиления' по напряже-
нию Kv.
Полевые транзисторы успешно применяются в различных усили-
тельных н переключающих устройствах; они часто используются в
сочетании с биполярными транзисторами. На основе структур поле-
вых транзисторов удобно строить интегральные микросхемы.
Полевые транзисторы обозначаются аналогично
биполярным, только вторым элементом является буква П (полевой),
например КП306А; транзистор полевой, кремниевый малой мощности
с рабочей частотой 30 МГц, номер разработки 306, группы А. Необ-
ходимая информация о транзисторах помещается в справочниках.
Например, транзистор КП302В: кремниевый полевой с управляющим
переходом н каналом л-типа, максимальный ток стока 80 мА, крутиз-
на характеристики S=7 мА/B, напряжение отсечки (Узиотс =—10 В,
напряжение сток — исток 1/си =20 В, напряжение затвор — исток
t/зи =—12 В, емкость входная Сзи =20 пФ, емкость проходная
94
Cnp=8 пФ, рассеиваемая мощность Ртах—300 мВт, диапазон темпе-
ратур —604- +100° С, сопротивление канала не более 100 Ом. Услов-
ные графические обозначения некоторых полевых транзи-
сторов приведены иа рис. 3.23.
3.6. ТИРИСТОРЫ
Тиристором называется полупроводниковый прибор
многослойной структуры с тремя и более р-п переходами,
который может переключаться из закрытого состояния в
Рис. 3.24. Устройство тиристора и
его транзисторная модель, поясня-
ющая принцип работы.
Рис. 3.25. Вольт-амперная ха-
рактеристика тиристора.
открытое или наоборот. По устройству и принципу дей-
ствия тиристоры подраздедяются на динисторы, трнни-
сторы и симисторы. Общим признаком для всех тиристо-
ров является нелинейная ВАХ с участком отрицательного
сопротивления, что обусловливает регенеративный про-
цесс в приборе при переходе его из запертого в открытое
состояние. Предпочтительным- материалом для изготов-
ления тиристоров считается кремний.
Структура р-п-р-п динистора показана на рис. 3.24, а.
В кристалле с четырехслойной структурой имеется три
р-п перехода. Крайние области называют р- и «-эмитте-
рами, а средние — р- и «-базами. В слаболегированную
кремниевую пластину с электронной электропроводнос-
тью толщиной менее 0,5 мм с обеих сторон методом диф-
фузии вводят примесь алюминия и 6oph, образующих
слои pi и рз с высокой концентрацией дырочных носите-
лей заряда (порядка 1017 см-3). Область «2 состоит из
исходного кристалла с концентрацией носителей около
Ю15 см-3. Наиболее тонкий слой «4 создается диффузией
95
атомов фосфора в слой р3 на глубину до 20 мкм и с кон-
центрацией электронов до 1019 см-3.
К эмиттерным областям присоединены выводы. Элек-
трод, примыкающий к р-эмиттеру, называется анодом А,
а к п-эмиттеру — катодом /С. Переходы /71 и П3 называ-
ют эмиттерными, а переход П2 — коллекторным.
При подключении к динистору напряжения (на аноде
«+», на катоде «—») переходы ЩиПз смещаются в пря-
мом направлении, т. е. пропускают ток, а средний пере-
ход П2 — в обратном. Распределение напряжения будет
соответствовать сопротивлениям отдельных участков
кристалла. Высоколегированные слои pi, р3, Щ и откры-
тые переходы /71 и П3 обладают малым сопротивлением
(2—3 Ом), а слаболегированный примесью п2-слой и за-
крытый переход П2 обладают большим сопротивлением.
Поэтому практически все приложенное напряжение бу-
дет падать на переходе П2. Под действием возникшего
поля из областей р\ и и4 через переходы 771 и П3 устре-
мятся основные носители зарядов: дырки из pi в п2 и эле-
ктроны — из п4 в р3. Анализ физических процессов в че-
тырехслойном динисторе часто проводят на эквивалент-
ной модели сопряженных транзисторов VI и V2 различ-
ной структуры (р-п-р и п-р-п), включенных по схеме с
ОЭ, приведенной на рис. 3.24,6. В этой схеме слой п2 яв-
ляется одновременно и базой V/и коллектором V2,a слой
р3 — коллектором VI и базой V2. Переход /72 для обоих
транзисторов является общим коллекторным переходом.
С учетом коэффициентов передачи тока эмиттеров ои
и а2 ток через коллекторный переход 772 определяется
суммой 7пр=7к1+/к2+/ко=«1/э1+а2/э2+7ко, где 1st *и
/э2 —-токи через эмиттерные переходы, а /ко — собствен-
ный обратный ток коллекторного перехода. Поскольку
переходы соединены последовательно, токи 7к1=7э2=7пр,
откуда получаем:
'пр “WP ~(“1+“,)]•
При повышении напряжения (7а эмиттерные токи и
коэффициенты ои и а2 возрастают.
Происходящие в динисторе электрические процессы
определяются ВАХ, представленной на рис. 3.25. На вер-
тикальной оси нанесены значения прямых и обратных то-
ков, а на горизонтальной — прямых и обратных напря-
жений. При повышении прямого напряжения Ua$ от нуле-
вого значения ток /пр медленно растет (участок /), но в
96
момент, когда сумма коэффициентов (ai'+a2)->l, зна-
менатель стремится к нулю, ток /пр резко возрастает, а
сопротивление, в основном перехода 772, также резко
уменьшается. Объясняется это тем, что при напряжении
ивкп сильное электрическое поле сообщает электронам
значительную энергию, при которой возникает лавинное
размножение носителей зарядов в слое «2 и перенос тока
через переход 772. Процесс развивается очень быстро —
за несколько микросекунд — и сопровождается уменьше-
нием сопротивления. Участок кривой II на ВАХ называ-
ют участком с отрицательным сопротивлением.
Проводящее состояние перехода /72 (прямое включе-
ние) поддерживается непрерывной инжекцией основных
носителей зарядов, движение которых стимулируется
внешним напряжением £/пр<£Лясл. С учетом; размноже-
ния носителей формула прямого тока через тиристор при-
нимает вид:
7 М/к°
пр	1—Л1(аг + аа) ’
где М — коэффициент размножения носителей (для
обычных условий М= 1).
Напряжение, при котором происходит включение ти-
ристора t/вкл, часто называют пусковым — по аналогии
с пусковым напряжением: газоразрядных приборов.
В открытом состоянии тиристор находится до момен-
та, пока по нему проходит ток, не меньший, чем ток
удержания /уд (точка Б, участок III ВАХ). Верхний пре-
дел прямого тока ограничивается нагрузочным сопротив-
лением jRa, и если /?а~0, то ток превысит допустимое зна-
чение, произойдет тепловой необратимый пробой р-п пе-
реходов. Выключение тиристора происходит при умень-
шении тока до значения /щ></уД и характеризуется обед-
нением коллекторного перехода, носителями зарядов и
смещением его в обратном направлении.
Если изменить-полярность внешнего напряжения, т. е.
соединить анод с отрицательным, а катод с положитель-
ным зажимами источника, то р-п переходы П\ и 773 сме-
щаются в обратном направлении, а переход /72 — в пря-
мом направлении и прибор остается закрытым, через не-
го протекает лишь небольшой обратный ток (кривая IV).
.При обратном напряжении, большем- допустимого, соот-
ветствующего области перегиба кривой IV, возможен
пробой закрытых переходов П\ и П3 и повреждение при-
£-*107	97,
бора. Напряжение пробоя по абсолютной величине обыч-
но превышает напряжение включения. Причина «слабос-
ти» двух переходов заключается в меньшей толщине пе-
реходов и большей концентрации носителей зарядов в
прилегающих слоях. Описанные процессы относятся к
неуправляемому двухэлектродному прибору с четырех-
слойной структурой — динистору.
«1
Рис. 3.26. Устройство иезапираемого трннистора (а) и графики, по-
ясняющие его работу (б).
Т ринистором называется тиристор с тремя выводами,
один из которых сделан от внутреннего слоя и называет-
ся управляющим электродом (УЭ). Существенным преи-
муществом тринистора по сравнению с динистором явля-
ется возможность управления напряжением включения
прибора с помощью УЭ, причем мощность управляющих
сигналов значительно меньше мощности прямого тока.
Тиристор с УЭ обладает свойством усилителя. Различа-
ют тринисторы незапираемые и запираемые. В незапира-
емых приборах УЭ используется только для отпирания,
т. е. переключения тринистора из непроводящего состоя-
ния в открытое; в запираемых тринисторах посредством
УЭ можно и открывать и закрывать прибор. Встречают-
ся тринисторы с двумя УЭ.
Структура иезапираемого тринистора приведена на
рис. 3.26, а. Как и динистор, он состоит из четырех чере-
дующихся р- и n-слоев. Кроме анодного и катодного вы-
водов имеется вывод УЭ, который может быть присоеди-
нен ко внутреннему р- или n-слою, что отразится только
на полярности управляющего напряжения. Если УЭ при-
соединен к p-области, на него подается отрицательное
относительно катода управляющее напряжение, если при-
98
соединен к «-области, полярность меняется на обратную.
Эффект управления объясняется тем, что входной ток
УЭ увеличивает одни из эмиттерных токов, т. е. воздей-
ствует на рост коэффициента передачи тока oci (или аг),
поэтому условие ai+aj^l выполняется уже при мень-
шем значении внешнего напряжения. На рис. 3.26, б по-
казано семейство ВАХ тринистора. Если УЭ отключен,
т. е. в его цепи ток /уд=0, то тринистор переключается
как динистор при внешнем напряжении Г7Вкл (точка Б
на графике). Из ВАХ видно, что напряжение включения
тринистора снижается при увеличении тока /уд в управ-
ляющей цепи. Для каждого конкретного тринистора мож-
но подобрать по значению такой ток управления (базо-
вый ток), при котором тринистор будет иметь ВАХ обыч-
ного диода, т. е. на ее прямой ветви появляется участок
спрямления (при токе /уд).
Если снять управляющее напряжение, тринистор бу-
дет оставаться включенным, пока прямой ток /пр не станет
меньше /уд. Этот ток называется таком выключения —
Точка Г на графике рис. 3,26, б.
Напряжение управляющего сигнала, достаточное для
включения тиристора, приводимое в справочниках, со-
ставляет 1—5 В, мощность сигнала практически не зави-
сит от прямого тока, поэтому коэффициент усиления по
мощности /Ср» 104ч-107.
Важнейшее свойство тиристоров — два устойчивых
состояния его работы. Первое состояние характеризует-
ся малым прямым током, протекающим через структуру,
и большим падением напряжения на ней. Второе состо-
яние соответствует большому току /Пр и малому падению
напряжения между выходными электродами. На
рис. 3.26,6 этот факт подтверждается пересечением ли-
нии нагрузки с графиком /пр в двух устойчивых точках—
А и Д и одной неустойчивой — В.
Запираемые тринисторы отличаются от незапираемых
тем, что способны переключаться из открытого состояния
в запертое сигналом в цепи УЭ.
Ранее было отмечено, что тринистор будет находиться
в отпертом состоянии, пока сумма коэффициентов удов-
летворяет условию (ai+az)>l. Например, в проводя-
щем состоянии <zi=(V, «2 = 0,5, их сумма (ai+a2)>l,
тринистор открыт. Если теперь коэффициент «а понизить
до 0,2, то тиристор закроется,
7*
89
Структура запираемого тринистора показана на
рис. 3.27, а. Управляющий электрод выполнен распреде-
ленным по всей площади между слоем р3 я катодным
слоем «4. Это сделано для того, чтобы ускорить рассасы-
вание носителей электрическим; полем управляющего
сигнала. Транзисторная модель структуры запираемого
тринистора (рис. 3.27, б) облегчает анализ процесса за-
пирания тринистора отрица-
тельным напряжением УЭ:
коэффициент передачи тока
существенно уменьшается
[сумма (ai+aa) 1], трини-
стор запирается. Иначе это
Рис. 3 27. Запираемый трнинстор.
трактуется так: в тринисторе существует положительная
обратная связь (см. § 6.5); каждый из условных тран-
зисторов модели тиристора своим- коллекторным током
возбуждает другой транзистор, и когда петлевой коэф-
фициент передачи 0102^ 1. происходит лавинный процесс,
оба транзистора открываются и попадают в режим на-
сыщения [условие 1 равносильно (о^+осг) 1]. По-
лярность управляющего сигнала должна быть положи-
тельной относительно катода тринистора. Для надежного
запирания сигнал должен иметь форму, близкую к пря-
моугольной, а его значение удовлетворять требованию
7уд Г — /В2 ’ CC2IЭ2*
Запираемые тринисторы характеризуются большим падением на-
пряжения на структуре н большим током отпирания по сравнению
С иезапнраемыми; в цепях постоянного тока обеспечивают более про-
стую схему коммутации (выключения); обладают лучшей частотной
характеристикой, так как вследствие большей активной площади УЭ
быстрее освобождаются от носителей заряда в переходе. Промыш-
ленность выпускает тринисторы малой н средней мощности типов
2У102 и КУ204.
Симисторы— так называют группу тиристоров с мно-
гослойной структурой и симметричной относительно на-
чала координат ВАХ, т. е. с участками отрицательного
сопротивления не только цд прямой, но и на обратной
ветвях. Симистор можно представить эквивалентной схе-
мой из двух однотипных тринисторов, включенных
встречно-параллельно. Обладая двунаправленной прово-
100
димостью, симистор может быть запертым и открытым
при напряжении любой полярности. Возможны различ-
ные варианты технического исполнения симистора.
Структура симистора (одного из вариантов) пред-
ставлена на рис. 3.28, а. Основу симистора составляет
многослойная р1-П1-П2-р2-«з-«4 структура, в которой
электрод Si частично шунтирует области рг«ь электрод
В2 шунтирует р2-«з, а УЭ — области р2-«4- Если к сило*
Рис. 3.28. Устройство симистора (а) и его ВАХ (б).
вым электродам В\ и В2 подвести плюс напряжения на
Bi и сообщить электроду УЭ отрицательный потенциал
относительна В2, то электроны области инжектируют
через переход ГЦ и обогащают область р2. Потенциальный
барьер запертого перехода П2 снижается, по структуре
от Bi доВ2 проходит прямой ток/Пр. При смене полярнос-
ти иа силовых выводах отрицательный потенциал элект-
рода УЭ обеспечивает смещение переходов /?г и П3 в пря-
мом направлении, а закрытый вначале переход П\ отоп-
рется под воздействием электронов из области п.\. По
структуре проходит обратный ток /Об₽. В случае положи-
тельной полярности на УЭ (на электродах В\ «—»,
В2 «+») предварительно закрытый переход П2 откроет-
ся вследствие инжекции электронов из области «з и по
структуре пройдет ток.
Вольт-амперная характеристика симистора представ-
лена на рис. 3.28,6. Графики в первом и третьем квад-
рантах отображают работу симистора при обеих поляр-'
ностях напряжения на его электродах. При отсутствии
тока управления /уд=0 симистор отпирается напряжени-
ем любой полярности, превышающим напряжение вклю-
101
чения t/вклг. Если ток управления /уд^>0 (на графике
имеется участок спрямления), то симистор работает ана-
логично двум диодам, включенным встречно-параллель-
но.
Свойства тиристоров оцениваются многочисленными параметра-
ми, выделенными в группу параметров по напряжениям, токам, со-
противлениям, в группу временных параметров, в группу импульсных
параметров и т. д. Каждому классу тиристоров свойственны опре-
деленные параметры. Общими параметрами по напряжениям для
большинства тиристоров являются прямое и обратное напряжения,
максимально допустимое прямое и обратное напряжения, напряже-
ние на управляющем электроде и т. д. К параметрам токов относятся
прямой и обратный номинальный и максимальный токи, ток вклю-
чения, ток удержания и т. д. К временным параметрам относятся
, время включения тиристора, время запаздывания, время нарастания
тока, скорость нарастания напряжения и другие. Инерционные свой-
ства прибора'оцениваются временем включения и временем выклю-
чения: лучшими считаются тиристоры с меньшим временем [у совре-
менных приборов /вкл(зп)=0,1-^-10 мкс, ^выкл~ 5+30 мкс].
На характеристики тиристоров сильно влияют изменения темпе-
ратуры. Если, например, тиристор, рассчитанный для работы в лет-
ний период в диапазоне тёмператур от +10 до 4-50° С, использо-
вать при больших отрицательных температурах, то он будет работать
с большой погрешностью или совсем будет неработоспособным.
Разнообразны применения тиристоров. Динисторы, мало-
мощные трииисторы и симисторы являются важнейшими элементами
в переключающих автоматических устройствах, в ЭВМ, в схемах ге-
нераторов релаксационных колебаний, в преобразователях сигналов
И т. д. Трииисторы средней и большой мощности с мгновенной го-
товностью к действию, высокой надежностью и другими показателя-
ми устанавливаются в электросиловых установках для выпрямления
тока, для регулирования частоты вращения приводов, для генериро-
вания токов большой мощности и высокой частоты. Симисторы сред-
ней мощности удобно применять в регуляторах света ламп накали-
вания; симисторы большой мощности — незаменимые приборы для
коммутации цепей силовых электроприводов.
Промышленность выпускает динисторы на максимальные токи
до 2 А непрерывного действия и до 10 А импульсного режима на
напряжения переключения от 10 до 200 В. Конструктивно они офор-
млены как обычные неуправляемые диоды. Трииисторы подразде-
ляются на трииисторы малой, средней и большой .мощности. Внешний
вид маломощных трииисторов напоминает транзисторы. Трииисторы
средней и большой мощности выполйяются аналогично неуправляе-
мым диодам. Так, например на рис. 3.29 приведена упрощенная кон-
струкция мощного трйнистора. На медном основании 1, имеющем
форму шестигранной головки болта, специальным припоем 2 припа-
ян на термокоМпенсирующей вольфрамовой пластине элемент -четы-
рехслойиой структуры 4. Сильиолегироваииая область 3 образо-
вана метрдбм диффузии фосфора в p-область монокристалла «-крем-
ния. К йтой «-области примыкает вольфрамовая пластина 5 с При-
вареийбй чашкой и внутренним гибким электродом 6. Внешний вы-
вод '8 соединяется с внутренним посредством взаимно сваренных пе-
реходных втулок, герметически запаянных в стеклянном изоляторе
102
7. Управляющий электрод 9, также смонтированный в стеклянном
изоляторе, с помощью тонкого внутреннего проводника соединен с
Рз-областью полупроводникового элемента. Все детали тринистора
заключены в корпус 10, который выполняет функцию защиты не
только от механических повреждений, ио и от различных внешних
воздействий. В большинстве трнинсторов анодом является основа-
ние 1, катодом — гибкий электрод 8.
Тринисторы, предназначенные для силовых цепей в электропри-
воде или в выпрямителях, рассчитаны на прямой ток до 1500 А и
*“ Рис. 3.29. Конструкция трини-
стора.
*2 ff) в) Ц
Рис. 3.30 Условные знаки для
обозначения тиристоров.
а — диннстор; б, в — тринисторы а
управлением по аиоду и катоду со-
ответственно; а —запираемый трн-
нистор; д — симистор.
более. Чтобы температура нагрева не превышала допустимую
80ч-100° С, их монтируют на охладительных радиаторах. Для улуч-
шения электрического и теплового контакта свинчиваемые поверх-
ности должны быть тщательно обработаны.
Большое распространение получили также тринисторы, полупро-
водниковый элемент которых выполнен в виде таблетки. Смонтиро-
ванная на охладительном радиаторе таблеточная конструкция обес-
печивает охлаждение ие только со стороны анода, ио и со стороны
катода. Таблеточные устройства с прижимными деталями надежно
работают при повышенных ударных и вибрационных нагрузках;
Встречаются также тринисторы с принудительным охлаждением по-
током воздуха илн жидкости с соответствующими приспособлениями
для этой цели.
Условные графические обозначения тиристоров приведены на
рис. 3.30.
Конструктивные разновидности тиристоров малой и средней мощ-
ности обозначаются буквенно-числовыми шифрами из шести элемен-
тов. Первый элемент — буква или цифра, обозначающие исходный
полупроводниковый материал, второй элемент —Н—динисторы,
У — тринисторы и симисторы. Шифр трнинсторов большой мощно-
сти (на токи от 10 до 2000 А) состоит из букв и цифр. Первым эле-
103
меитом является буква Т — тринистор, вторым — цифры, указываю-
щие предельный ток в амперах. После значения тока стоят буквы:
Л — тиристор с лавинной характеристикой, В — с водяным охлаждени-
ем, X —прибор с обратной полярностью, С — симистор. В зависимо-
сти от значения повторяющегося напряжения тиристоры типов Т,
ТВ, ТЛ и ТЛВ подразделяются на классы. Например: 2Н102А — ди-
нистор кремниевый малой мощности, номер разработки 02 группы А;
КУ214В — тринистор кремниевый иезапираемый средней мощности
(0,3—10 А), номер разработки 14 группы В; ТВ2-1000-6-141 —три-
нистор с водяным охлаждением, второго типа, на предельный ток
1000 А, с повторяющимся напряжением 600 В, с критической ско-
ростью нарастания прямого напряжения 20 В/мкс (из таблицы),
временем выключения до 70 мкс и критической скоростью нараста-
ния прямого тока 20 А/мкс. Для симисторов после буквы Т добавля-
ется буква С, остальные элементы те же.
Контрольные вопросы
1.	Как на основании зонной модели атома объяснить подразде-
ление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики? На-
зовите значения удельной проводимости (илн сопротивления) каж-
дого из этих классов веществ.
2.	Объясните механизм электропроводности собственных и при-
месных-полупроводников.
3	Прн каких условиях в полупроводниках возникают дрейфовый
и диффузионный токи? Поясните рисунками и формулами.
4.	Назовите основные свойства р-п переходов; нарисуйте ВАХ
р-п переходов и поясните ее участки.
5.	Определите барьерную емкость Сц р-п перехода, если вг = 10,
S=10-8 м2, d„.p=5'10-e м, <ро=О,5 В; прямое напряжение L/B₽=
= 10 В.
6.	Проанализируйте процессы в диоде при протекании по нему
переменного тока. Назовите параметры диодов и примеры их приме-
нения.
7.	Почему не используют контакт двух металлов с неодинаковым
значением работы выхода для выпрямления переменного тока?
8.	Почему транзистор может служить усилителем?
9.	Нарисуйте три схемы включения транзистора с указанием на-
правления протекающих токов.
10.	Как определить статические параметры транзистора по вход-
ным и выходным характеристикам?
11.	Дайте определения коэффициентов передачи тока а и 0 и
выведите формулы нх взаимосвязи.
12.	Объясните принципиальное различие между биполярными и
полевыми транзисторами; назовите разновидности полевых транзи-
сторов.
13.	Проведите анализ принципов работы нескольких типов тири-
сторов.
14.	Определить ток базы транзистора, если ток коллектора
«=5 мА, а ток эмиттера 7^ =4,7 мА, током /^Б0 пренебречь,
104
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФОТОПРОВОДИМОСТИ
Фотопроводимостью называется свойство вещества
изменять свою электропроводность под действием опти-
ческого излучения. Эффект фотопроводимости использу-
ется при создании фотоприборов.
К фотоэлектрическим приборам относятся преобразо-
ватели энергии излучения (в частности, видимого света)
в электрические сигналы. Они применяются для получе-
ния первичной информации в автоматических системах
регулирования, в вычислительной, измерительной и пре-
образовательной технике и т. д.
По принципу действия преобразователи излучений
подразделяются на приборы с внешним и внутренним
фотоэффектом. Приборами, работающими на основе
внешнего фотоэффекта, т. е. приборами с фотоэлектрон-
ной эмиссией, являются вакуумные и газонаполненные
фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители
(ФЭУ). Внутренний фотоэффект используется в фоторе-
зисторах, фотодиодах, солнечных фотоэлементах, фото-
транзисторах и других полупроводниковых фотоэлектри-
ческих приемниках.
. Излучения, в том числе теплота и свет, подразделя-
ются на монохроматические и немонохроматические.
Монохроматическое излучение состоит из колебаний од-
ной частоты. Немонохроматические излучения являются
смесью электромагнитных колебаний различных ампли-
туд и частот, т. е. составляют спекр электромагнитных
колебаний. Излучения создаются солнцем, электрически-
ми лампами накаливания, люминесцентными лампами и
другими источниками. Энергия излучения дуальна: воз-
никает и исчезает дискретно, в виде квантов (или фото-
нов), а распространяется волнообразно, как электромаг-
нитные колебания. Взаимодействие излучений
и веществ сопровождается многими эффектами, в том
числе изменением' энергетического состояния атомов и
молекул; при облучении валентные электроны поглоща-
ют фотоны и скачком переходят на более высокие энер-
гетические уровни. Валентный электрон, поглотивший
,105
фотон и ставший электроном проводимости, увеличивает
свою энергию на & =hv = hc!K, где й = 6,62-10-34 Дж-с—
постоянная Планка, с«3-108 м/с—скорость света, v—*
частота, Гц; А,— длина волны, м. Энергия квантов зави-
сит прежде всего от частоты излучений и тем больше, чем
короче длина волны основного компонента излучения.
Так, коротковолновые фиолетовые лучи (Л=0,38 мкм)
превращаются в фотоны с энергией <§=3,25 эВ, а длин-
новолновые красные лучи (А =0,76 мкм) сообщают
энергию <§=1,6 эВ.
В вакуумных фотоприборах электрон способен пре-
одолеть силы взаимодействия с веществом катода, если
его энергия превысит работу выхода электрона Wo (см.
§ 1.1) данного вещества <§^sW0- В этом случае элект-
рон покинет эмигрирующую поверхность катода, перейдет
в вакуум и примет участие в создании электрического
эмиссионного тока — фототока. Для заданного вещества
фотоэлектронная эмиссия возможна только при воздей-
ствии излучения с длиной волны Ло^Лс/И^о- Максималь-
ная длина волны излучения, при котором возможна
эмиссия, называется граничной Лг₽ (или красной), а со-
ответствующая ей частота vrp — граничной частотой.
При этом фототок насыщения прямо пропорционален
интенсивности падающего на катод светового потока (по-
тока излучения) /ф=£Ф, где k—коэффициент чувстви-
тельности, Ф — световой поток.
Внутренний фотоэффект в полупроводниковом крис-
талле при поглощении излучения проявляется либо в виде
увеличения удельной электрической проводимости, либо
в создании фото-ЭДС между р- и п-слоями электриче-
ского перехода. Для этого необходимо, чтобы энергия
поглощаемых электронами фотонов превышала энергию
запрещенной зоны: <э	(см. § 3.1). В собствен-
ном (беспримесном) полупроводнике при облучении
(как и при подогреве) генерируются электронно-дыроч-
ные пары носителей заряда, которые под воздействием
внешнего напряжения движутся упорядоченно. В при-
месных кристаллах при облучении происходит иониза-
ция донорных или акцепторных примесей, образующие-
ся при этом дополительные носители зарядов уменьша-
ют сопротивление полупроводника.
Свойства излучений оцениваются спектраль-
ным составом электромагнитных колебаний, мощностью
потока излучения Ф (для света 1 лм=1 кд^ср), силой
106
излучения I (1 кд=лм/ср), освещенностью Е (1 лк=з
= 1 лм-м~2) и другими параметрами.
4.2.	ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Фотоэлемент (ФЭ) —это электровакуумный диод, в
стеклянном баллоне которого установлены фотокатод и
анод, преобразующие энергию оптического излучения в
электрические сигналы. Один из конструктивных вариан-
Рис. 4.1. Конструктивный вари-
ант электровакуумного фото-
элемента (а) и схема его вклю-
чения в электрическую цепь (б).
Рис. 4 2. Спектральные харак-
теристики фотокатодов.
1—кислородо-серебряно цезиевого;
2 — сурьмяио-цезиевого; 3 — крем-
ниевого и 4 — германиевого.
тов ФЭ представлен на рис. 4.1, а. Фотокатодом К являет-
ся чувствительный к излучениям полупроводниковый слой,
которым покрыто более половины внутренней поверхно-
сти баллона. Анод А имеет вид, проволочного кольца,
сетки либо рамки. Внешние электроды, укрепленные на
баллоне, выполняются в виде полых цилиндров (как по-
казано на рисунке) или в виде металлических штырей,
запрессованных в изоляционном цоколе. Один из них
электрически соединен с катодрм К, другой — с анодом А.
Фотоэлементы подразделяются на вакуумные и газо-
разрядные. В вакуумных ФЭ создано разрежение до
10~5 Па, в газонаполненные введено небольшое количе-
ство инертного газа, например аргона, под давлением
3-10~4 Па. Чувствительный слой фотокатода состоит из
соединений сурьмы, теллура, щелочных металлов с при-
месями различных элементов. Для работы в видимой
части спектра наибольшее распространение получили
сурьмяно-цезиевые, кислородно-цезиевые (AgOCs) и
многощелочиые катоды (SbKNaCs и др.)« Фоточувстви-
107)
тельные слои для измерения потоков излучения в ульт-
рафиолетовой области спектра (Л=0,2-^-0,4 мкм) изго-
товляют из пленок чистых металлов — магния, кадмия
и их соединений. Чтобы стенки баллона не поглощали
лучи этого диапазона, весь баллон или часть его — «ок-
но»— делают из кварцевого, увиолевого и других сортов
стекла. Часто применяются также полупрозрачные фо-
токатоды сквозного действия, выполненные в виде тон-
ких пленок, нанесенных на посеребренные изнутри бал-
лона стеклянные окна.
Схема включения вакуумного ФЭ (представленного
условным знаком) показана на рнс. 4.1,6. Анод присоединен к поло-
жительному полюсу источника £а последовательно с резистором Rt,
катод — к отрицательному. Выходной сигнал снимается с анода.
Принцип работы заключается в перераспределении паде-
ний напряжения иа фотоэлементе и резисторе Ла при освещении и
затемнении При отсутствии облучения ток через ФЭ не протекает
и потенциал анода равен потенциалу положительного зажима ис-
точника. При освещении возникает эмиссия электронов с катода, в
цепи появляется фототок /ф и потенциал аиода уменьшается иа ве-
личину Дф=Ла/ф.
Важнейшими показателями ФЭ считаются чувстви-
тельность, а также световая, вольт-амперная, частотная
и другие характеристики.
Чувствительность — это отношение выходного сигна-
ла, например фототока /ф, к потоку излучения (света)
Ф. Различают чувствительность интегральную, спек-
тральную, удельную и пороговую. Интегральная чувст-
вительность Sbht является отношением выходного тока
/ф к потоку Ф от стандартного излучателя (электричек
ской лампы накаливания мощностью 100 Вт при темпе-
ратуре нити 2850 К) при заданном анодном напряже-
нии: 5Инт = /ф/Ф, мкА/лм, при Ua=const.
Монохроматическая чувствительность Sa, определяет
степень поглощения квантов конкретного монохромати-
ческого излучения веществом фотокатода. Графики отно-
сительной спектральной чувствительности S (А,) =5а /
Sxmax, где Simax—максимальная чувствительность,
представлены на рис. 4.2. Кривая 1 соответствует кис-
лородно-серебряно-цезиевому фотокатоду; он пригоден
для работы как в видимой, так и в инфракрасной час-
тях спектра. Сурьмяно-цезиевый (SbCs) катод применя-
ется в ФЭ для измерения ультрафиолетовых излучений
(кривая 2). На сравнительно длинноволновые излуче-
ния реагируют полупроводниковые материалы — крем-
108
ний (кривая 3) и германий (кривая 4), причем кремний
отличается большей «избирательностью» к частоте излу-
чений, чем германий.
По спектральным характеристикам можно опреде-
лить длинноволновый порог фотоэффекта, т. е. наиболь-
шую длину волны %о> за которой фотоэмиссии не проис-
ходит.
Удельная интегральная чувствительность—'зависи-
мость электрического сигнала в нагрузке от потока стан-
Рис 4 4 Вольт-амперные ха-
рактеристики фотоэлементов
1, 2, 3 — для вакуумных при све-
товых потоках 0,01, 0,05 и 0,1 лм
соответственно, 4 — для газонапол-
ненного (0,03 лм).	--
Рис 4 3. Световые характери-
стики фотоэлементов
], 2, 3 — для вакуумных иа 50, 100
и 200 В соответственно, 4 н 5 — для
газонаполиеииого.
дартного излучателя при анодном напряжении, равном
1 В. Пороговая интегральная чувствительность оп-
ределяется минимальным световым потоком, при кото-
ром полезный электрический сигнал фотоприемника в
2—3 раза превышает уровень помех.
Световые характеристики ФЭ приведены на рис. 4.3.
У вакуумных приборов они отличаются высокой линей-
ностью. С ростом напряжения между электродами кру-
тизна характеристик увеличивается: кривая 1 соответ-
ствует анодному напряжению 50, кривая 2—100 и кри-
вая 3—200 В. Однако рост тока ограничивается
насыщением эмиссионной способности фотокатода (кри-
вая 3).
У газоразрядных ФЭ чувствительность к излучению
в несколько раз выше по сравнению с вакуумными, что
объясняется эффектом ионизации молекул газа; но вслед-
ствие этого же эффекта нарушается линейность выход-
ного сигнала (кривая 4). Кроме того, превышение анод-
ного напряжения на 30—40% приводит к возникновению
Ю9
газового разряда (кривая 5) и к резкому уменьшению
выходного сигнала.
Вольт-амперные характеристики ФЭ представлены
на рис. 4.4. Сплошные линии соответствуют различным
световым потокам, которыми воздействуют на вакуум*
ный ФЭ. В диапазоне напряжений до 100 В характерна
стики линейны, затем наступает насыщение эмиссии фо*
токатода. Газоразрядные приборы обладают нелинейны*
Таблица 41
Тип прибора	Материал катода	Диапазон спек- тральной чувст- вительности, мкм	Рабочее напря- жение £7а, В	Чувствительность SKHT, мкА-ли-1	Темновой ток 7ф, А	Постоянная вре- мени, с	Габаритные раз- меры (диаметрХ длина), мм
цв-з	AgOCs	0,5—0,9	240	20	ю—7	8-10—8	27X62
СЦВ-4	CssSb(O)	0,4-0,6	240	80	ю-7	8 -10-s	40X130
ЦГ-4	AgOCs	0,5—0,9	200	200	10~7	5-Ю-3	40X130
Ф-18	SbCsRb	0,3—0,7	100	105	10—11		26X26
ми ВАХ из-за ионизации газа (кривая 4 при Ф=
=0,03 лм). Газовый разряд, возникающий при анодных
напряжениях, превышающих допустимые, сопровождает*
ся уменьшением выходного сигнала и разрушением ка-
тода.
Амплитудно-частотные характеристики фотоприемни-
ков отражают инерционные свойства приборов. Вакуум*
ные элементы «успевают» реагировать на переменный
световой поток с частотой до нескольких десятков кило*
герц с ослаблением выходного сигнала не более 20%,
У газоразрядных ФЭ при частоте более 3 кГц иаблюда*
ется резкий завал характеристик.
Кроме названных характеристик каждый тип ФЭ
имеет свои численные параметры: рабочее и предельное
анодное напряжение, темновой ток, постоянную време*
ни и др. Основные параметры ФЭ приведены в
табл. 4.1. Во втором и третьем столбцах указаны мате-
риал фотокатода и диапазон частот спектральной чувст-
вительности (вместо графиков). Значение темнового то-
ка учитывается при выполнении точных измерений. По-
стоянная времени характеризует частотные свойства ФЭ,
ПО
4.3.	ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
Фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) называют-
ся вакуумные приборы, преобразующие энергию опти-
ческого излучения в электрические сигналы и основан-
ные на использовании вторичной электронной эмиссии.
Устройство и принцип действия ФЭУ показаны на
рис, 4.5, В стеклянном баллоне смонтированы катодная
Рис. 4 5. Принцип устройства ФЭУ с динодами типа «жалюзи» и
схема его включения в электрическую цепь для усиления слабых
световых потоков Ф и преобразования их в электрические сигналы.
камера 1, фокусирующие электроды 2, умножительная
система 3 и аиод 4. От всех электродов имеются выводы
наружу для подключения их к резисторному делителю
напряжения 5. В баллоне создан глубокий вакуум (до
10-5 Па). Передняя от катода часть стенки выполняет-
ся прозрачной для излучений соответствующих длин
волн. На катоде нанесен активный слой, который при
воздействии излучения определенного спектрального со-
става эмиттирует электроны; например, сурьмяно-це-
зиевый слой чувствителен к видимому свету.
Фокусирующие электроды имеют такую форму, при
которой линии электрического поля сжимают поток
эмиттированных с катода электронов и направляют его
на следующий электрод.
Наиболее распространенной считается дискретная
умножительная система, состоящая из электродов, на-
зываемых динодами, в совокупности образующих л-кас-
кадный усилитель. Диноды изготавливаются из листо-
вых материалов на основе сплавов серебра, алюминия,
меди, магния, никеля и др. Их поверхность также по-
крыта активным слоем. От конструкции динодов суще-
111
ственно зависит работа ФЭУ. Часто встречаются диноды
коробчатой, торовидной, жалюзийной и других форм.
Коробчатый динод имеет вид четверти цилиндра, закрытого с
торцов боковыми крышками (рис. 4.6, а). Ои отделен от последую-
щих динодов н смонтирован на отдельной траверсе. Эта система
обеспечивает высокую фокусировку и полноту сбора электронов.
Динодная сборка обладает большой жесткостью и хорошей экрани-
ровкой от внешних помех.
Другим вариантом являет-
ся дииодная система тороидаль-
ной формы (рис. 4.6, б). Явля-
ясь телами вращения, диноды
имеют большую рабочую по-
Рис. 4.6. Устройство динодов
коробчатой (а) и тороидаль-
ной (б) форм.
верхность с замкнутым междуэлектродиым пространством, благода-
ря чему повышается выходной сигнал, облегчается фокусировка и
сбор вторичных электронов; конструкция устойчива к механическим
перегрузкам.
Анод представляет собой мелкоструктурную сетку,
укрепленную в непосредственйой близости от последне-
го динода.
Резисторный делитель напряжения предназначается
для формирования каскадно-нарастающих напряжений
в направлении от катода' к аноду. Делитель монтирует-
ся, как правило, неподалеку от гнезд ламповой панели.
Однако имеются ФЭУ с встроенными внутри баллона
резисторами.
Принцип,действия ФЭУ заключается в том, что первич-
ные электроны, выбитые квантами излучения из катода, под воздей-
ствием ускоряющего электрического поля устремляются к первому
диноду (рис. 4.5). Обладая значительно большей энергией, чем при
выходе из катода, электронный поток бомбардирует поверхность
первого динода и выбивает вторичные электроны. Умноженный по-
ток вторичных электронов летит вдоль линий поля ко второму ди-
ноду и т. д. и, умножаясь в п раз, попадает на анод. Ускоряющее
электрическое поле действует на всем пути от первого динода к по-
следнему, поскольку диноды соединены с различными потенциаль-
ными точками резисторного делителя высокого напряжения (0,7—
Коэффициент вторичной эмиссии зависит от состава
активного слоя, формы поверхности, ускоряющей разно-
112
сти потенциалов и других факторов и колеблется в пре-
делах о=34-6. Если считать коэффициенты усиления
отдельных динодов одинаковыми. (oi = o2=...=on), то
общий коэффициент усиления М=ап. Зная фототок ка-
тода 7ф=ЛФ и коэффициент усиления М, легко опреде-
лить анодный ток ФЭУ: 7а=7фМ=/фОп. Коэффициент
усиления ФЭУ является одним из важнейших практичес-
ких параметров умножительной системы. Чтобы опреде-
лить его, необходимо раздельно измерить анодную чув-
ствительность Shht а и чувствительность фотокатода
Sинтк (эти параметры приводятся в справочниках), Ко-
эффициент усиления ФЭУ равен отношению чувстви-
тельностей М=5ПНТ а5йнт к. Большинство ФЭУ имеет
Мл 105 4-108.
Интегральная и монохроматическая чувствительность
ФЭУ аналогична рассмотренным выше. Зависимость
- анодного тока 7а пропорциональна световому потоку при
небольших значениях' Ф. Значительное увеличение све-
тового потока вызывает перегрузку деталей, вследствие
чего наступает утомление эмиссионных поверхностей
ФЭУ.
Многие типы ФЭУ могут работать в высокочастот-
ных устройствах, так как рабочий участок их амплитуд-
но-частотных характеристик достигает частот 30—
150 МГц.
Основные параметры некоторых типов ФЭУ приве-
дены в табл. 4.2.
Таблица 42
Тип прибора	Материал катода	Монохроматическая чувствительность S. , мкм Л	Рабочее напряжение, "а-В	Интег- ральная чувстви- тельность		Темновой ток ZT, А	Верхний предел час- тоты, Гц	Габаритные размеры (диаметрХвысота), мм
				^инт, к> мкА-лМ	5инт, а’ А-лм				
ФЭУ-18	SbCs	0,6—0,6	700	40	10	3-10—8	1.10е	48Х Х180
ФЭУ-31	SbCs	0,3—0,6	650	70	10	1 -10—9	2-10®	22 X Х75
ФЭУ-68	SbKNaCs	0,3—0,8	750	120	1,0	1-ю-1»	2-10е	15Х Х75
ФЭУ-95	SbKNaCs	0,3—0,7	1300	110	10	5-10-8	—	200X Х250
8—.107
113
4.4.	ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Фоторезистором называется фотоприемник, принцип
действия которого основан на эффекте фотопроводимо-
сти. Применения фоторезисторов разнообразны, столь
же разноЪбразно и их конструктивное исполнение. Ти-
пичная конструкция фоторезистора в разрезе показана
на рис. 4.7, а. Чувствительный к излучениям слой 1 при-
креплен к изоляционной
7 г г *	пластине2. На краях фо-
тослоя смонтированы то-
коведущие электроды 3.
Вся сборка помещена в
Рис. 4 7. Устройство и схема
включения фоторезистора.
корпус 4 с отверстием для пропуска излучения. Для за-
щиты от атмосферных воздействий верхняя поверхность
фотослоя покрыта прозрачным лаком.
Активный слой выполняется в виде монокристалли-
ческих или поликристаллических пленок и таблеток.
Промышленностью освоены способы получения пленок
напылением в вакууме и осаждением из суспензий. Мо-
нокристаллический фотослой в условном шифре фоторе-
зистора обозначается буквой М, например ФСК-М1 —
ФСК-М5, пленочные — буквой П (ФСК-П1); к поликри-
сталлическим относятся резисторы типов СФ-1—СФ-3.
Широко распространены фоторезисторы с чувствитель-
ным слоем в виде таблетки из спрессованных и спечен-
ных порошков (ФСК-1—ФСК-7).
Форма и размеры рабочей площадки обусловлены
характером применения прибора. Фоторезисторы для
считывания информации с перфолент имеют небольшие
размеры: 0,4—1,0 мм2 (СФ2-1, ФСК-5 и др.). В диффе-
ренциальных схемах автоматики используются фоторе-
зисторы с тремя электродами, один из которых в рабо-
чем режиме обладает нулевым потенциалом, например
ФСК-7. В электрических цепях со значительными тока-
ми могут быть установлены фоторезисторы повышенной
мощности, с большей рабочей поверхностью.
Корпуса резисторов, как правило, изготавливаются из пласти-
ческих масс, их конструкции удовлетворяют различным практическим
запросам и выполняются удобными для монтажа в устройствах. Ряд
114
типов фоторезисторов выпускается в бескорпусном исполнении для
непосредственной установки их под общим защитным кожухом.
Токоведущими электродами служат напыленные на краях фото-
слоя полоски металлов, не поддающихся коррозии (золото, плати-
на), к которым присоединяются штыри или проволочные либо лен-
точные проводники. Фоторезисторы работают с источниками излу-
чения как непрерывного, так и импульсного вида в цепях с элект-
рическим питанием постоянного или переменного тока В случае пи-
тания переменным током требуется, чтобы его частота в 10 раз и
более превышала частоту импульсов излучения. Наиболее распрост-
раненная схема включения фоторезистора приведена на рис. 4 7, б.
Спектральная характеристика обусловлена материа-
лом и технологией изготовления фотослоя.
Интегральная чувствительность 5ПНт является отно-
шением разности электрического сигнала /ф—/г к лу-
чистому потоку Ф
•$инт = /ф > мА/лм, при t/H0M = const,
где /ф — ток в облученном фоторезисторе; 7Т — ток фо-
торезистора прн отсутствии облучения, называемый тем-
новым током.
Световые характеристики — зависимости фототока
от светового потока при постоянном номинальном напря-
жении — обладают существенной нелинейностью. Нели-
нейность объясняется тем, что с ростом светового пото-
ка увеличивается не только количество носителей заря-
дов, но в еще большей степени — их рекомбинация.
Вольт-ачперные характеристики сохраняют линейность
в широких пределах. Фоторезисторы имеют высокий по-
казатель инерционности; многие из них не способны ра-
ботать при переменных: световых потоках с частотой бо-
лее 100 Гц.
Основные параметры фоторезисторов приведены в
табл. 4.3: номинальные значения фототока и рабочего
Таблица 43
Тип фото- резисюра	Чувствительность		Фототок I. , мА	Ф	Темновое сопротивле- ние И , МОм		Площадь активного слоя, мм*	Рабочее нап- ряжение и, В
	монохро- матичес- кая , мкм	интеграль- ная 5ИНТ’ Д.лм-1					
СФ2-1	0,4—0,7	10	1	15	2000	0,45	15
СФЗ-1	0,7—0,9	20	1,5	30	ыо»	0,75	15
ФСК-П1	0,5-0,7	4,8	2	1-10»	1-10*	56	100
ФСК-7	0,6-0,9	3,6	3	0,1	300	200	10
8*
115
напряжения, темнового сопротивления, кратность изме-
нения сопротивлений затемненного и освещенного резис-
тора, чувствительность н размеры.
4.5. ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Фотогальванические приемники излучения относятся
к большой группе приборов, чувствительный элемент
которых содержит р-п переход. Они предназначаются
Рис. 4.8. Устройство фотодиода (а) и режимы его работы: фотогаль-
ванический (б) и фотодиодный (в).
для преобразования энергии излучения (в том числе
световой) в электрическую. Принцип действия таких
приборов основан на разделении фотоноснтелей элект-
рическим полем перехода. Большое разнообразие конст-
руктивных форм объясняется многосторонностью их
применений. Фоточувствительными материалами для
этих приборов являются кремний, германий, селен, сое-
динения галлия, индия и т. д.
Устройство фотогальванических при-
емников показано на рис. 4.8, а. С кремниевой плас-
тиной n-типа сплавлена таблетка с р-проводимостью.
Между ними образован р-п переход. К обеим частям
кристалла присоединены невыпрямляющие металличес-
кие выводы, посредством которых прибор включается в
электрическую цепь; корпус с прозрачным «окном» (на
рисунке не показан) защищает его от неблагоприятных
воздействий.
На практике чаще встречаются две конструктивные
формы исполнения р-п перехода относительно направ-
ления светового потока Ф. В первом случае поток излу-
чения освещает только одну часть кристалла (как пока-
зано на рис. 4.8, а); большая эффективность использова-
ния потока излучения достигается при возможно
116
меньшей толщине освещаемого слоя. Во втором случае
световой поток направлен параллельно переходу и облу-
чает обе его части. Этот вариант используется, однако,
редко по причине меньшей эффективности.
Фотогальванические приемники излучений, предна-
значенные для преобразования энергии мощных потоков
излучения, например от Солнца, в электрическую энер-
Рис. 4.9. Устройство фототранзистора (а) и способы его включения
(б, в).
гию, работают в фотогальваническом режиме, т. е. без
внешнего источника напряжения (рис. 4.8,6); приемни-
ки, предназначенные для преобразования слабых пото-
ков излучения, например, в измерительных устройст-
вах, работают в фотодиодном режиме, т. е. с внешним
источником напряжения (рис. 4.8, в). Их называют фо-
тодиодами.
Принцип работы фотогальванических приемни-
ков излучения основан на использовании внутреннего
фотоэффекта — процесса ионизации атомов при оптиче-
ском облучении. Интенсивность ионизации зависит от
энергии световых квантов — фотонов, силы их пбтока и
внутренней энергии вещества, определяемой спектром
поглощения.
Если облучения нет (состояние темноты), диффузи-
онный и дрейфовый токи р-п перехода уравновешивают-
ся. При этом через переход (и сопротивление нагрузки)
протекает только ток утечки 7У, обусловленный термоге-
нерацией неосновных носителей — электронов и дырок
;У = /о[ехр(^-)-1
117
где Io — обратный ток (ток термогенерации); q—
= 1,6-10-19 Кл — заряд электрона; — напряжение хо-
лостого хода на слоях р-п перехода; &=8,75-10-5 эВ —
постоянная Больцмана; Т — температура кристалла.
В полупроводниках с большой шириной запрещенной
зоны обратный ток мал (десятки микроампер), но с
ростом температуры н (или) внешнего напряжения он
существенно увеличивается.
При облучении прибора фотоны, энергия которых
превышает энергию ионизации вещества hv^WB, воз-
буждают атомы полупроводника и генерируют пары
электрон — дырка. Носители диффундируют к р-п пе-
реходу и разделяются его электрическим полем. В п-об-
ласти накапливаются электроны, в р-слое — дырки. На
контактах р- и n-областей возникает ЭДС (фото-ЭДС)
соответственно положительного и отрицательного зна-
ков. При подключении к фотоприбору нагрузки 7?а че-
рез прибор н внешнюю цепь потечет ток
I=I» -1, “ 'ф -/. [«р (^) -1].
Спектральная характеристика приборов рассматри-
ваемого класса определяется материалом полупровод-
ника. На рис. 4.2 были приведены графики спектраль-
ных характеристик кремния 3 и германия 4. Кремний
отличается высокой избирательностью, и его спектраль-
ная характеристика имеет максимум при длине волны
излучения около 0,7 мкм, а германий реагирует на облу-
чение лучистым потоком с длинами волн от 0,6 до
1,8 мкм.
Вольт-амперные характеристики I=f(U) при Ф==
= const подобны ВАХ р-п перехода, включенного в об-
ратном направлении (см. рис. 3.5); с ростом светового
потока они сдвигаются по оси обратного тока пропор-
ционально потоку Ф.
Световые характеристики приемников зависят от со-
противления нагрузки: при увеличении 7?н возрастает
нелинейность и уменьшается наклон характеристик. По
световой характеристике определяется интегральная
чувствительность $ип=/ф/Ф, где /ф — выходной ток
(фототок), Ф — поток излучения.
Световые характеристики фотодиодов линейны в ши-
роких пределах,
118
Чувствительность фотодиода по току одинакова для
обоих режимов работы. Однако чувствительность по на-
пряжению и внутреннее сопротивление фотодиода в фо-
тогальваническом режиме очень малы, например при
освещенности в 8-103 лк £/да:0,2 В. Для затемненного
фотодиода в диодном режиме ВАХ похожа на несим-
метричную ВАХ обычного полупроводникового диода и
проходит через начало координат. При облучении поток
излучения управляет изменением обратного тока, кото-
рый протекает через диод и нагрузку и создает на ней
падение напряжения — выходной электрический сигнал.
При малых освещенностях фототок находится в линей-
ной зависимости от излучения.
Кремниевые и другие полупроводниковые фотоэле-
менты применяются в солнечных и ядерных преобразо-
вателях и в электроизмерительных приборах. Батарея
площадью 1 м2 развивает полезную мощность до 100 Вт
при КПД 8—10%. Фотогальванические приемники обла-
дают значительной инерционностью вследствие большой
собственной емкости, образованной активным полупро-
водниковым слоем и электродами.
Фотодиоды используются в электрических цепях как
датчики световых сигналов. Они имеют малые габарит-
ные размеры и площадь светочувствительного слоя и
вследствие этого — небольшую емкость р-п перехода.
По этой же причине фотодиоды — малоинерциониые
приемники излучений, и они хорошо реагируют на сиг-
налы, частота которых доходит до 105 Гц.
Увеличение КПД фотогальванических приемников
излучения достигается соответствующим выбором полу-
проводникового вещества. Более подходящими оказыва-
ются полупроводники с шириной запрещенной зоны
0,7-4-1,6 эВ. К иим относятся германий Ge
(0,67 эВ), кремний Si (1,12), арсенид галлия GaAs
(1,35), теллурид кадмия CdTe (1,5) и др. Другой способ
увеличения КПД — создание многослойных приемников
из полупроводников, каждый из которых поглощает
энергию излучения определенного спектрального со-
става.
Параметры некоторых промышленных приборов при-
ведены в табл. 4.4.
Фототранзистором называется фотогальванический
приемник излучения с двумя р-п переходами, предназна-
ченный для преобразования потока излучения в элект-
1J9
Таблица 4.4
Тип при- бора	Чувствительность		Рабочее напряже- ние и. В	Материал активного слоя	Площадь активного слоя,см2	Габарит- ные раз- меры (Диа- метр X дли- на), мм
	спект- ральная , мкм	интег- ральная 5иит’ мА»лм *				
К-20	( 0,56	Солнечные 0,6	фотоэлеш 0,2	>НТЫ Se	20	
ФЭССУ-10	0,6—1,1	8,0	0,15	Ag2S	10	—
ФД-З	0,7—1,1	Фот 30	одиоды 10	Ge	10—?	4X9
ФД-9К	0,9	7,0	10	Si	—	11X9
рические сигналы. Фототранзисторы изготовляют из тех
же материалов, что и фотодиоды: кремния, германия и
др. Они применяются в качестве чувствительных эле-
ментов в автоматических устройствах, системах теле-
контроля, в вычислительной технике, кинематографии
и т. д.
Устройство фототранзистора показано
на рис. 4.9, а. В кристалле р-п-р структуры образованы
два перехода; базовый n-слой выполнен очень тонким;
кристалл помещается в корпусе (на рисунке не показан)
с окном для пропуска света, в котором, как правило,
имеется собирательная линза, фокусирующая световой
поток.
Фототранзистор включается в электрическую цепь
как диод с одним свободным электродом (рис. 4.9,6)
илн как обычный транзистор (рис. 4.9, в). В обоих слу-
чаях возможны три варианта схем: с ОБ, с ОЭ и с ОК
н облучение любой области или сразу всех областей.
Принцип работы фототранзистора при отклю-
ченной базе состоит в следующем: коллекторный пере-
ход смещен в обратном, а эмиттерный переход — в пря-
мом направлении. При освещении в области базы воз-
никают электроны и дырки проводимости — носители
заряда, отчего изменяется потенциал эмиттерного пере-
хода. Неосновные носители, инжектированные из эмит-
тера в базу, перебрасываются электрическим полем че-
рез коллекторный переход. Коллекторный ток /к при
120
/б=0 почти равен току эмиттера; 7к = 07ф—7Т, где 0-^
коэффициент передачи тока базы, 7Т —- темновой ток,
равный обратному току 7кбо затемненного перехода,
/ф=ЛФ — фототок транзистора. Отсюда следует, что
интегральная чувствительность фототранзистора в 0 раз
больше интегральной чувствительности фотодиода, т. е.
фототранзистор обладает свойством усиливать сигналы.
Контрольные вопросы
1.	Объясните эффект фотопроводимости; как фотопроводимость
связана с частотой излучения?
2.	Назовите характеристики электромагнитных излучений и еди-
ницы их измерения. Объясните, почему различные излучения по-раз-
ному воздействуют на вещества; приведите примеры.
3.	Какие вещества используются для изготовления фотопрово-
дящих слоев?
4.	Перечислите различия в устройстве и принципе работы фото-
электрических приборов.
5.	Нарисуйте схему включения ФЭУ и объясните принцип его
работы.
6.	Почему фоторезисторы можно применять в цепях как посто-
янного, так и переменного токов? Начертите схему включения и объ-
ясните особенность работы фоторезистора.
7.	Дайте сравнительную оценку вариантов схем включения фо-
тодиодов и фототранзисторов.
8	Укажите основные области применения различных фотопри-
боров.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
5.1.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Выпрямителем называется устройство для преобразо-
вания электрического переменного тока в постоянный.
Необходимость такого преобразования обусловлена тем,
что электростанции вырабатывают энергию переменного
тока, а многие промышленные и бытовые электроуста-
новки работают- на постоянном токе.
Выпрямители подразделяются на однофазные и трех-
или многофазные. Однофазные выпрямители обладают
обычно небольшой мощностью (до 1—2 кВ-А); выпрями-
тели средней и большой мощности (от одного до тысячи
киловольт-ампер) выполняют, как правило, трехфазны-
121
ми. По способам преобразования переменного тока раз-
личают одно- и двухполупериодные выпрямители.
Структурная схема типичного выпрямителя приведе-
на на рис. 5.1, где принятыми условными знаками обо-
значены трансформатор Тр, блок вентилей БВ, сглажи-
вающий фильтр Ф (фильтр нижних частот), стабилиза-
Рнс. 5.1. Структурная схема выпрямителя.
тор выпрямленного напряжения Ст; входным является
однофазное или многофазное напряжение U, выход-
ным — выпрямленное и сглаженное от пульсаций стаби-
лизированное постоянное напряжение U.
Трансформатор (часто называемый силовым) пред-
назначается для формирования требуемого переменного
напряжения и для электрической развязки блоков вы-
прямителя и его нагрузки от электрической линии; такая
развязка цепей существенно повышает электробезопас^
ность обслуживания. Трансформатор позволяет также
преобразовать одну систему фаз входных напряжений в
другую, например трехфазную в шестифазную. Транс-
форматор состоит из первичной и одной или более вто-
ричных обмоток, объединенных магнитопроводом. Конст-
рукции трансформаторов отличаются большим разнооб-
разием и подробно рассматриваются в соответствующих
курсах электротехники.
Блок вентилей выполняется на основе полупроводни-
ковых диодов, тиристоров, газоразрядных или других
приборов, обладающих односторонней электропроводно-
стью, т. е. выпрямительным свойством, которое оцени-
вается по его ВАХ. Идеальные вентильные элементы
пропускают ток только в одном направлении (прямой
ток) и совсем не пропускают тока в обратном направле-
нии. Реальные элементы, однако, пропускают сравнитель-
но небольшой обратный ток. Вентильные элементы долж-
ны обладать малым прямым и большим обратным сопро-
тивлениями, высоким допустимым обратным напряжени-
ем, большим КПД и стабильностью характеристик,
122
Сглаживающий фильтр используется для подавле*
ния пульсаций выпрямленного напряжения. Фильтр яв-
ляется устройством, содержащим R-, L- и С-элемеиты,
благодаря которым фильтр способен запасать энергию
при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьше-
нии напряжения. Работа фильтра оценивается коэффи-
циентом фильтрации q — отношением коэффициентов
пульсации на входе и выходе фильтра.
Стабилизатор ослабляет влияние внешних условий
(колебания напряжения в электрической линии, изме-
нение нагрузки, температуры и т. д.) и поддерживает
выпрямленное и сглаженное напряжение иа заданном
уровне. Стабилизатор может быть установлен как на
выходе выпрямителя, так и иа входе — со стороны пере-
менного тока. В электроустановках, сохраняющих рабо-
тоспособность при допустимых изменениях внешнего
напряжения, применяются выпрямители без стабилиза-
торов.	- 
В состав выпрямителя могут входить выключатели, элементы ав-
томатики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных
требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать.
Если, например, не требуется уменьшать (увеличивать) входное на-
пряжение Ue и электрически разделять нагрузку от электросети, то
из схемы исключается трансформатор. В некоторых случаях не при-
меняют ни сглаживающего фильтра, ни стабилизатора (например,
при зарядке аккумуляторов), в других требуется и фильтр, и ста-
билизатор (в выпрямителях для вычислительных машин или телеви-
зоров).
Схемы выпрямления подразделяются на про-
стые и сложные. В простых схемах содержится мини-
мальное количество вентильных элементов, обеспечива-
ющих выпрямление со сравнительно высоким коэффици-
ентом пульсаций; сложные схемы строятся на основе
смешанного соединения вентильных элементов, благода-
ря которому удается понизить коэффициент пульсации
и улучшить другие характеристики выпрямителей.
К простым относятся одно- и трехфазная одно- и двух-
полупериодные схемы, к сложным — двухполупериод-
ные многофазные схемы.
Режим работы какого-либо блока выпрямителя
сильно зависит от режима работы остальных блоков.
Например, режим работы трансформатора и вентильных
элементов предопределяется - типом сглаживающего
фильтра и характером сопротивления нагрузки (актив-
ная, индуктивная иЛи емкостная). Часто встречается
случай комплексной нагрузки.
123
Основными техническими параметра-
ми выпрямителей являются значения входных (пере-
менных) напряжения U и тока I, средневыпрямленные
напряжение 1/св и ток /Св, коэффициент пульсаций Кп,
коэффициент сглаживания пульсаций q, КПД т) и т. д.
Кроме того/ каждый из функциональных блоков харак-
теризуется системой параметров и коэффициентов. Так,
например, для трансформатора необходимо знать пер-
вичные и вторичные напряжения и токи, количество
секций обмоток, числа витков обмоток и т. д.; для вен-
тильных элементов — прямые и обратные параметры,
влияние температуры на характеристики и т. д.
5.2.	ОДНОПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ
Схема простейшего однополупернодного выпрямите-
ля (рис. 5.2, а) содержит трансформатор Тр, ко вторич-
ной обмотке которого последовательно подключены вен-
тиль В и нагрузка RH. Как и в электросети, между зажи-
мами вторичной обмотки существует синусоидальное
напряжение
«2 = U2m sin at = К2 U2 sin at,
Uzm и Uz — амплитудное и действующее значения
напряжения вторичной обмотки соответственно; угловая
частота со связана с частотой сети соотношением со=
Рис. 5.2. Схема однополупернодного однофазного выпрямителя (а)
и временные диаграммы, поясняющее его работу (б, в, г).
124
= 2nf. Графики изменения напряжений и токов при вы-
прямлении показаны на рис. 5.2, б. В течение положи-
тельной части периода (на верхнем зажиме вторичной
обмотки напряжение положительно) вентиль В открыт
и по цепи протекает ток i2. Напряжение между зажима-
ми нагрузки при этом практически равно выходному
напряжению трансформатора. При отрицательной полу-
волне напряжения вентиль закрыт и ток в цепи с венти-
лем отсутствует. На электродах вентиля (аноде А и ка-
тоде К) возникает максимальное обратное напряжение
(^обр-
Выпрямленное напряжение и ток в нагрузке уже не
являются синусоидальными, а имеют вид повторяющихся
импульсов одной полярности, разделенных паузами
(рис. 5.2, в). Напряжение (ток) несинусоидальной фор-
мы можно представить как сумму некоторого постоян-
ного напряжения и синусоидальных напряжений с час-
тотами со, 2со, Зсо и т. Д. Такая сумма называется рядом
и для однополупериодного напряжения записывается в
виде
и = Ч™ + JL Um Sin (<rf +	__ 2^2. cos (2(0/ + ф2) —
л 2	Зл
---cos (4со“ + Фз) “ *-
3-ол
Первое слагаемое этого ряда — постоянная составля-
ющая или средневыпрямленное напряжение t/св, а все
последующие члены — переменные составляющие или
гармоники. В частности, второе слагаемое называется
напряжением основной (первой) гармоники Uy с часто-
той, равной частоте сети со, остальные члены ряда — гар-
моники более высокого порядка с частотами, кратными
основной частоте. Средневыпрямленное напряжение не
зависит от частоты тока, его значение равно высоте UCB
прямоугольника (рис. 5.2, в), площадь которого экви-
валентна площади фигуры, заключенной между кривой
«я за один период и осью времени t. Чтобы определить
исв, надо проинтегрировать выпрямленное напряжение
uH=t/2msin и/ на интервале изменения от 0 до л и
полученное значение разделить на период (Д(о/=2л)2
п = J- f /2 t/2 sin со/ dat =	= 0,45t/a.
2л J	л
о
125
Средневыпрямленный ток зависит от сопротивления
нагрузки /?н: /св=^св//?н=0,45//2//?н. Важнейшими
параметрами выпрямителя являются действующие
напряжение и ток во вторичной обмотке трансформато-
ра, которые соответственно равны:
= 0,5/т = —= 1,577св.
т 2R„	ов
Замена в выпрямителе одного вентиля другим произ-
водится с учетом требования Т/Обр,доп>!^обр=^2п1=
=3,14С/св И /ср, доп 1,57/св, где ^/обр.доп—максимально
допустимое обратное напряжение конкретного диода и
/срдоп — допустимый средний ток нового элемента.
Важнейшими показателями выпрямителя являются
также-мощность постоянного тока, полная мощность
трансформатора, мощность, потребляемая от сети, габа-
ритная мощность, а также различные коэффициенты.
Полная мощность вторичной обмотки трансформато-
ра
S2 = ItUt - 1,57/св.2,22{/св « 3,5РСВ,
т. е. она превышает более чем в 3 раза максимальную
мощность постоянного тока нагрузки выпрямителя РСв==
=:7св£/св-
Полная расчетная мощность трансформатора STp,
часто называемая типовой, равна полусумме мощностей
первичной и вторичной обмоток: STP = (Si4-S2)/2«3,5РСВ.
Сравнительную оценку эффективности выпрямителя проводят на
основе коэффициентов использования обмоток трансформатора, ис-
пользования вентиля по напряжению и току, КПД и т. д. Так, коэф-
фициент использования обмоток трансформатора однофазного одно-
полупериодного выпрямителя Ктр=/>св/5тр «0,3, что свидетельствует
о наличии подмагничивающих токов во вторичной обмотке и нера-
циональном режиме работы трансформатора.
Коэффициент пульсации Ка выпрямителя равен отношению амп-
литуды первой (основной) гармоники к выпрямленному напряжению
(рис. 5.2,г):
Кп = ~ Ю0% = Гр- = 157%.
'-'св	* Um
Благодаря простоте устройства однофазные однополупериодные
выпрямители часто применяются в маломощных цепях измеритель-
ных приборов, в радио- и телевизионной технике.
126
S.3.	ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Известны два варианта схем двухполупериодного од-
нофазного выпрямителя: схема с выводом от среднего
витка вторичной обмотки трансформатора и мостовая
схема.
Схема выпрямителя с выводом от среднего витка вто-
ричной обмотки показана на рис. 5.3, а. Выпрямитель
Рис. 5.3. Схемы двухцолупериодного однофазного выпрямителя (а—
с выводом от среднего витка и б— мостовая) и временные диаграм-
мы, поясняющие их работу (в—<Э).
‘	в)
состоит из трансформатора Тр, двух вентилей В\ и Bz и
нагрузки Rn- Аноды вентилей присоединены к концам
вторичной обмотки (точки 1 и 2), а катоды — к общему
узлу 3. Нагрузка включена между средним витком об-
мотки О и узлом 3. Эта схема эквивалентна двум схе-
мам однополупериодного выпрямителя, вентили которых
работают на общую нагрузку. Временные диаграммы
напряжения между зажимами вторичной обмотки М2, а
также напряжения и токи в нагрузке UCB и 1СВ приведе-
ны на рнс. 5.3, в и д. Выпрямленные напряжения и ток
состоят из положительных синусоидальных полуволн
(«+» со стороны катодов); если вентили перевернуть,
т. е. анод и катод каждого вентиля поменять местами,
127,
то полярность выходного напряжения изменится на об-
ратную.
Работа выпрямителя. При включении сетево-
го напряжения Ui на каждой половине вторичной обмот-
ки возникает напряжение Ог. В первый полупериод, ког-
да потенциал точки 1 является положительным относи-
тельно вывода О, ток 1’21 проходит через вентиль Bi,
нагрузку RB и возвращается к точке 1 через половину вто-
ричной обмотки. В следующий полупериод полярность
на концах обмотки меняется на обратную: диод В\ за-
крывается, а диод В2 открывается. С этого момента про-
водящим становится диод В2 и через него начинает про-
ходить ток /22; пройдя по нагрузке, он замыкается через
вторую половину вторичной обмотки.' Таким образом,
через сопротивление нагрузки Rn поочередно проходят
в одном и том же направлении токи i2i и 1’22- Эти токи
будут одинаковыми, если схема симметрична. Выпрям-
ленные напряжение и ток вдвое больше по величине,
чем в схеме с однополупериодным выпрямлением
(/св.= 2С72т/л = -^2	= 0,9t/2; 7св =	= 0,9	.
СВ	2т	п	2.	СВ
Из этих формул находим действующие значения на-
пряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора
Uг =	UCB « 1 ,ШСВ; 72 = — 7СВ = 0,787св.
2/2	4
Поскольку схема выпрямления обладает симметрией,
то в каждой из половин вторичной обмотки постоянные
составляющие токов протекают в противоположных на-
правлениях и поэтому встречные магнитные потоки не
намагничивают магнитопровод. Чтобы не допустить пов-
реждения вентилей, при их выборе необходимо учиты-
вать максимальные напряжения и ток в цепи вторичной
обмотки трансформатора:
1]	„	__ 91]	— тгТ'7 . I —	_ ^св _ 1 е7г
^обрт	ji,c'cb> 'max D	OD	1,0/
Кн	«хн
Коэффициент пульсаций при двухполупериодном вы-
прямлении вдвое меньше, чем при однополупернодном,
а частота основной гармоники вдвое больше частоты
128
электросети: Kn=Ulr/UCB=Ils./ICB—0,67-, fi?=2fc. Рас-
четная типовая мощность трансформатора
S = -itA =	~ 1 48Р
тр 2	2	’св
Из формулы следует, что для получения такой же
выпрямленной мощности, как и в однополупериодной схе-
ме, габаритные размеры трансформатора можно умень-
шить почти в 2 раза.
Однофазная мостовая схема (рис. 5.3,6) содержит
трансформатор, ко вторичной обмотке которого присоеди-
нен блок вентилей В\—В$, соединенных по схеме четырех-
плечего моста. Нагрузка включена во вторую диагональ
моста (точки 3 и 4). Графики напряжения и тока во вто-
ричной обмотке показаны на рис. 5.3, г. Они синусоидаль-
ны, если синусоидально напряжение электросети. Вре-
менные диаграммы, поясняющие выпрямление, приведены
на рис. 5.3, д. Выпрямленные напряжение и ток по форме
и величине аналогичны напряжению и току выпрямителя
с выводом от среднего витка. Мостовая схема отличается
только тем, что обратное напряжение на вентилях в 2 ра-
за меньше по сравнению с предыдущей схемой. Кроме то-
го, вторичная обмотка имеет меньше витков и не требу-
ется делать вывод от среднего витка, что удешевляет и
упрощает конструкцию. Важным фактором считается так-
же возможность использования мостовой схемы без тран-
сформатора в тех случаях, когда не требуется изменять
величину выпрямленного напряжения по сравнению с се-
тевым. Коэффициент пульсаций и частота пульсаций для
обеих схем одинаковы (Кп=0,67; fn=2fc). Обе схемы
двухполупериодного однофазного выпрямления широко
применяются в выпрямителях мощностью до 1 кВт и на-
пряжением от нескольких вольт до десятков тысяч вольт.
5.4.	ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Большое разнообразие схем трехфазных выпрямителей
обусловлено различными способами соединения обмоток
трансформатора. От этого зависит коэффициент пульса-
ции выпрямленного напряжения, компенсация МДС
магнитопровода и другие показатели.
Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя
приведена иа рис. 5.4, а. Сетевая — первичная — обмотка
состоит из трех секций. Их соединяют по схеме звезда или
9- 107
129
треугольник. Вентильная — вторичная — обмотка включе-
на по схеме звезда с выводом от общей точки концов сек-
ций О. Каждый из трех вентилей Bi—В3 одним своим
электродом (на рисунке — анодом) соединен с началом
секции, а вторым (катодом)—с общей точкой О'. Прита-
ком соединении вентилей точка О' будет иметь положи-
тельный потенциал относительно точки О. Полярность
изменится, если вентили перевернуть. Нагрузка вклю-
чена между узлами О и О'. Однополупериодным выпря-
митель называется потому, что каждый из фазных токов
7ф проходит один раз за период через каждый из венти-
лей и нагрузку.
Рис. 5.4. Трехфазный однополупериодный выпрямитель (а) и вре-
менные диаграммы выпрямления (б, в).
Временные диаграммы напряжения вторичной
обмотки трансформатора даны на рис. 5.4, б. Вентили по-
очередно работают в течение одной третьей части перио-
да, причем ток течет по тому из вентилей, на котором в
данную треть периода потенциал выше, чем на двух дру-
гих вентилях. Графики выпрямленных напряжения и тока
в нагрузке показаны на рис. 5.4, в. Здесь вентиль Bi
становится проводящим с момента, когда напряжение на
, его аноде (в фазе А) станет больше идущего на убыль на-
пряжения в фазе С (точка/). После этого вентиль Bi ра-
’ ботает (пропуская ток) в продолжение '/з части периода
[|(120°), пока напряжение иа его аноде превышает воз-
растающее напряжение в фазе В. Когда эти напряжения
сравняются по величине (точка 2), вентиль Bi запирает-
ся, а вентиль В2 включается в работу и т. д. Ток венти-
лей /ф определяется напряжением в фазах вторичной об*
130
мотки (72ф. Токи всех вентилей проходят через нагрузку
в одном направлении. Положительным полюсом являет-
ся точка, общая для всех катодов (узел О').
Среднее значение выпрямленного напряжения трех-
фазного выпрямителя определяется, как и в случае од-
нофазных выпрямителей, но интегрирование мгновенно-
го значения осуществляется в пределах !/з части пери-
ода:
U№	= 0,827[/ш = 1,17С/2.
я
Выпрямленный ток, являющийся суммарным током
всех поочередно действующих фаз выпрямителя, по фор-
ме напоминает огибающую фазных ЭДС:
’ - ^св з/2 Цт
СВ /?н Я Лн
1К2/2т = 0,827/т.
Максимальное обратное напряжение на вентилях
и обетах = КЗ t/2m «2,1[/св. Действующие напряжение
и ток вторичной обмотки равны соответственно: Ui—
= t/am/КЗ = 0,855f/cp; Z2=O,48/2m=O,58ZCB.
Типовая расчетная мощность трансформатора Sw=
(== (Si4-S2)/2 —1,35РСВ.
Коэффициент пульсаций в многофазных выпрямите-
лях определяется по формуле Kn=t/ir/^cB=2/(/n2—1),
где т — число фаз выпрямителя. Для трехфазного одно-
полупериодного выпрямителя Кп=2/(32—1)=0,25.
Трехфазные выпрямители имеют меньший коэффициент
пульсаций по сравнению с однофазными, а частота пуль-
саций— значительно выше, чем у однофазных (fn=3fc).
Это обстоятельство облегчает сглаживание пульсаций.
Выпрямители трехфазного тока применяются для пита-
ния потребителей средней и большой мощности (до ты-
сяч киловольт-ампер). Они равномерно нагружают
электрическую линию н отличаются высоким коэффици-
ентом использования трансформатора.
При замене поврежденных вентильных элементов в приборах,
находившихся в эксплуатации, или создании новых приборов часто
отсутствуют элементы с заданными допустимыми значениими тока и
напряжения. Выйти из затруднения позволяют имеющиеся в наличии
элементы, хотя их параметры и отличаются от требуемых. Чтобы
получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое
значение для одного элемента, применяют параллельное включение
однотипных элементов (диодов, кенотронов и т. д.). При этом ко-
личество элементов определяют по формуле /п=/вв//д0П, где /доп —
9*
131
допустимый для данного элемента ток. Если амплитуда напряжения
вторичной обмотки трансформатора превышает допустимое обратное
напряжение вентильного элемента (в зависимости от схемы включе-
ния), то элементы соединяют последовательно; при этом их количе-
ство подсчитывается по формуле т=Uam/Uoiv.non- Применяется и
смешанное соединение вентильных элементов
Таблица 5.1
Параметры схем выпрямления
Схемы выпрямления	«в	Ч₽в	^2 ^ов		’1=₽CB/S
Однополуперноднаи одно-	1,57	3,14	1,57	3,5	0,4
фазная Двухполупериодная с вы-	0,667	3,14	0,78	1,48	0,8
водом от среднего витка Однофазная мостовая	0,667	1,57	1.11	1,23	0,8
Трехфазнаи однополупери-	0,25	2,09	0,58	1,35	0,97
одиая Трехфазная мостовая	0,057	1,05	0,82	1,05	0,99
Оценку наиболее распространенных схем выпрямления при ак-
тивной нагрузке можно осуществить, сравнивая их электрические па-
раметры, сведенные в табл. 5.1. Если принять за критерии коэффици-
ент пульсаций Ка, то преимущество имеют трехфазиые схемы, обес-
печивающие наименьшую пульсацию; в этих выпрямителях можно
применять менее сложные сглаживающие фильтры, чем в других
выпрямителях. Очень важным критерием является обратное напря-
жение на вентилях; в мостовых схемах (однофазной и трехфазиой)
вентили работают при наименьших обратных напряжениях. Сечение
провода вторичной обмотки трансформатора зависит от действующе-
го значения тока /а; этот ток меньше в однополупернодных схемах и
больше — в мостовых двухполупернодных.
При достаточно большой мощности постоянного тока
в нагрузке /н предпочтительнее многофазные двухполу-
периодные схемы с более выгодным использованием ти-
повой мощности трансформатора ST (т. е. 5т«РСв).
Наибольший КПД т] имеют двухполупериодные схемы;
особенно высоким КПД обладают двухполупериодные
трехфазные схемы (S — мощность, потребляемая от сети).
В конкретных случаях применяются и другие крите-
рии (надежность, габаритные размеры, стоимость ит. д.),
каждый из которых может оказаться определяющим.
5.S.	СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Напряжение иа выходе вентильного блока любого
выпрямителя всегда является пульсирующим и содер-
жит кроме постоянной еще и переменные составляющие.
Питание от выпрямителей многих электронных приборов
132
(например, радиоприемников, магнитофонов с. микрофо-
нами, измерительных усилителей и т. д.) возможно лишь
постоянным током с коэффициентом пульсаций около
IO-5—10~2%. Пульсирующее напряжение производит
вредные эффекты, нарушающие нормальную работу
устройств.
Сглаживающие фильтры предназначаются для подав-
ления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня,
при котором происходит нормальная работа потребите-
ля. Фильтры включаются между блоком вентилей и
нагрузкой. Сглаживающие фильтры подразделяются на
пассивные и активные (электронные). Пассивные фильт-
ры применяются наиболее часто. Они состоят из звень-
ев, образованных последовательно-параллельным соеди-
нением индуктивных катушек L, конденсаторов С и ре-
зисторов R. Электронные фильтры содержат, кроме то-
го, усилительные элементы — транзисторы или электрон-
ные лампы.
К фильтру предъявляется основное требование: при
минимальных собственных размерах и массе максималь-
но уменьшить переменную составляющую выпрямленно-
го напряжения, не увеличивая при этом сопротивление
постоянной составляющей. Эффективность сглаживания
пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания,
который представляет собой отношение коэффициента
пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций
на выходе ц—Кп,вх/Кп,вых*
В зависимости от числа элементов и схемы их соеди-
нения различают простые и сложные пассивные сглажи-
вающие фильтры. Схемы первых не содержат в своем
составе колебательных контуров, а схемы сложных
фильтров — содержат. Из простых фильтров наиболь-
шее распространение получили однозвенные Г- и П-об-
разные фильтры; реже применяются многозвенные. Схе-
мы некоторых простых фильтров приведены на рис. 5.5.
Емкостный фильтр (рис. 5.5, а) состоит из конденса-
тора, подключаемого параллельно нагрузке; применяет-
ся в маломощных цепях. Процесс сглаживания пульса-
ций емкостным фильтром показан на рис. 5.6. Положи-
тельные полуволны напряжения, выпрямленного одно-
фазным однополупериодным выпрямителем, разделены
паузами. Конденсатор запасает энергию в те промежут-
ки врем’ени, когда открывается вентиль и нарастает на-
пряжение; увеличение напряжения ис (заряд) происхо-
133
дит по экспоненциальному закону (линия из). Когда же
положительная полуволна напряжения спадает, конден-
сатор разряжается, т. е. возвращает накопленную энер-
гию в цепь с нагрузкой /?н. Коэффициент пульсации при
этом зависит от сопротивления нагрузки: линия «р1 со-
ответствует малой (^н-*оо), Wp2 — номинальной,
«рз—большой	нагрузкам (7?н->0). Емкостное
сопротивление уменьшается с ростом частоты, поэтому
Рис. 5.5. Варианты сглаживающих фильтров.
а — емкостный; б — индуктивный; в — Г-образвый; г — П-образный.
переменная составляющая пульсирующего тока замы-
кается через конденсатор, а постоянная составляющая
поступает на нагрузку. Для лучшего сглаживания пуль-
саций емкостное сопротивление должно быть значитель-
но меньше активного сопротивления нагрузки Хс=
Рис. 5.6. Сглаживание пульса-
ций конденсатором.
.== 1/(оС<С/?н. Из этой формулы можно определить ем-
кость фильтрующего конденсатора С.
Недостатками емкостного фильтра считают малую
его эффективность прн больших токах нагрузки, увели-
чение обратного напряжения на вентилях и др.
Индуктивный фильтр представляет собой дроссель
низкой частоты L, включенный между вентильным бло-
ком выпрямителя и нагрузкой (см. рис. 5.5,6). Дроссель
обладает большим индуктивным сопротивлением Хь=
.= <aL, и процесс сглаживания пульсаций заключается в
том, что на дросселе падает ббльшая часть переменной
,134
составляющей выпрямленного напряжения, а постоянная
составляющая проходит почти беспрепятственно. Чтобы
получить малый коэффициент пульсаций на выходе
фильтра, индуктивное сопротивление дросселя должно
быть значительно больше сопротивления нагрузки, т. е.
xI,=(olrL»/?H. Индуктивность дросселя L можно опре-
делить по упрощенной формуле L—qRx/toir, где q— за-
данный коэффициент сглаживания, 7?н — сопротивление
нагрузки, которое должно быть значительно больше ак-
тивного сопротивления дросселя и coir=2nfir—
частота первой (основной) гармоники пульсаций. Ин-
дуктивный фильтр часто применяется в выпрямителях
средней и большой мощности (от нескольких киловатт н
более). В маломощных выпрямителях фильтры с дрос-
селями применяют редко из-за значительных габаритов
и массы. Другим недостатком такого фильтра считается
резкое повышение ЭДС самоиндукции при обрыве цепи
нагрузки или прерывистом токе нагрузки.
Г-образный сглаживающий фильтр (см. рис. 5.5, в) со-
четает в себе свойства индуктивного и емкостного филь-
тров. Дроссель, включенный последовательно с нагруз-
кой, и конденсатор, шунтирующий нагрузку, называют
однозвенным Г-образным фильтром; его можно рассмат-
ривать как делитель напряжения с частотно-зависимым
коэффициентом передачи. Г-образный фильтр обеспечи-
вает эффективное сглаживание пульсаций, если индук-
тивное сопротивление для первичной гармоники выпрям-
ленного напряжения в 5—10 раз больше, а емкостное
во столько же раз меньше, чем сопротивление нагрузки:
1/соС.
Общий коэффициент сглаживания равен произведе-
нию коэффициентов сглаживания L- и С-элементов:
7 ~ 7д 7С = (<оЬ//?н) <aCRa = (JLC.
Если известны емкость конденсатора, коэффициент
сглаживания пульсаций и частота первой гармоники, то
можно определить индуктивность L=q/(2nfir)2C. Г-об-
разные LC-фильтры используют в выпрямителях средней
и большой мощности. В маломощных выпрямителях с
целью уменьшения массы и габаритов фильтра вместо
дросселя часто устанавливают резистор.
П-образиый фильтр применяют в случаях, когда ко-
эффициент сглаживания однозвенного фильтра оказыва-
ется недостаточным. Схема П-образного фильтра (рис.
13S
5.5, г) начинается с конденсатора С>, за которым следу-
ет Г-образный £С-фильтр.
Коэффициент сглаживания П-образного фильтра равен произве-
дению коэффициентов емкостного и Г-образного фильтров
Я Яс Яг •
П-образные фильтры часто применяются в выпрямителях с боль-
шим внутренним сопротивлением, например с кенотронами.
Нередки случаи применения многозвенных фильтров, которые
состоят нз нескольких каскадно соединенных LC- или /?С-фильтров.
Подсчитано, что для выпрямителей с коэффициентом сглаживания
q <25 допустимо применять однозвениый Г-образный фильтр, при
д» 25-7-350—целесообразно применять двухзвенный, при ^^350 —
наиболее выгодным является трехзвенный фильтр.
S.6.	УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Управляемым выпрямителем называется такой, у ко-
торого все вентили или часть из них имеют управляю-
щий электрод (УЭ), а также имеется устройство для
регулирования момента отпирания. Вентилями могут
быть тиристоры, тиратроны, транзисторы и другие эле-
менты. Воздействуя на управляющий электрод и катод
(эмиттер) вентиля управляющим сигналом, можно су-
щественно изменять ток вентиля и нагрузки.
Управляемые выпрямители так же, как и неуправля-
емые, подразделяются на одно- и двухполупериодные
однофазные, трехфазные и многофазные, с силовым
трансформатором и бестрансформаторные. Управляемые
выпрямители часто применяются для работы исполни-
тельного механизма с изменением направления движе-
ния, для плавного регулирования частоты вращения, для
возбуждения магнитных полей генераторов и т. д.
Возможны различные варианты размещения управля-
емых вентилей относительно других блоков в схеме
выпрямления: между силовым трансформатором и на-
грузкой; между электрической сетью и нагрузкой (бес-
трансформаторный вариант) и между выпрямителем из
неуправляемых вентилей, подключенных к электриче-
ской сети, и нагрузкой.
Прицип действия управляемого выпря-
мителя рассмотрим на основе схемы однополупери-
одного выпрямителя, представленной на рис. 5.7, а. Си-
ловой трансформатор Тр отделяет выпрямительную цепь
с нагрузкой от электрической линии и преобразует на-
пряжение к заданному значению. В цепи вторичной об-
136
мотки этого трансформатора включен тиристор последо-
вательно с дросселем фильтра L и нагрузкой. Управля-
ющий электрод УЭ присоединен к фазорегулятору а, с
помощью которого вырабатывается управляющий сиг-
нал Uy. Фазорегулятор позволяет изменять фазу управ-
ляющего сигнала на угол а относительно фазы напря-
жения вторичной обмотки U2 (рис. 5.7, б) и тем самым
Рнс. 5.7. Схема управляемого выпрямители (а) и временные диаграм-
мы его работы (б).
регулировать угол отпирания тиристора в интервале от
0° до л. При отсутствии фазового сдвига (а=0) ти-
ристор полностью открыт, и при чисто активной нагруз-
ке выходной сигнал выпрямителя максимален, посколь-
ку ток протекает в течение всего полупериода.
По мере увеличения угла сдвига а ток протекает по
цепи в течение меньшего интервала времени, в результа-
те чего уменьшается выпрямленное (среднее) напряже-
ние и ток в нагрузке. При сдвиге управляющего сигнала
на а=л тиристор будет закрыт в течение всего периода,
ток и напряжение на нагрузке будут равны нулю. На
рис. 5.7,6 показано уменьшение тока в нагрузке до
нуля при увеличении фазового сдвига от 0° до л.
На рис. 5.8, а приведен широко распространенный ва-
риант двухполупериодного однофазного управляемого
выпрямителя с понижающим трансформатором, имею-
щим вывод от средней точки вторичной обмотки. В обо-
их плечах обмотки установлены управляемые вентили.
Нагрузка (двигатель постоянного тока М) включена
между средней точкой вторичной обметки и катодами
вентилей.
137
Устройство управления вентилями (на схеме не показано) вы-
рабатывает управляющие импульсы, которыми поочередно открыва-
ются тиристоры VI и V2-, запираются же они автоматически—от-
рицательной полуволной напряжения. График тока нагрузки может
иметь форму последовательности импульсов нлн быть непрерывной
линией. Это зависит от угла отпирания тиристоров а и характера
нагрузки. Если угол а велик, но меньше л при чисто активной на-
грузке, то выпрямитель работает в режиме прерывистого тока
(рис. 5.8,6). По мере уменьшении а временной интервал между им-
0)	в)	а)
Рис. 5.8 Двухполупериодный мостовой управляемый выпрямитель
дли привода электродвигателя (а) и иллюстрация его работы без
обратного диода Vo (6) и с обратным диодом (в, г).
пульсами сокращается и пульсирующий ток в пределе становится не-
прерывным. Таким образом, выпрямленный ток можно изменять от
нуля до максимальной величины.
В случаях, когда нагрузкой выпрямителей являются
электромагнитные механизмы, например электродвига-
тели, нх индуктивное сопротивление значительно превы-
шает активное. Индуктивная нагрузка обладает способ-
ностью накапливать энергию в моменты, пока вентиль
открыт и по нему проходит ток; затем с наступлением
отрицательной полуволны энергия дросселя продолжает
поддерживать вентиль открытым, искусственно увели-
чивая угол проводимости тиристора. На рис. 5.8, в это
иллюстрируется продолжением кривой напряжения ниже
оси со( и увеличением длины интервала протекания тока
1Я. Если индуктивность велика, то проводимость вентиля
может поддерживаться значительную часть периода и
ток в нагрузке становится по этой причине непрерывным.
Ток «разряда» индуктивности может достигать боль-
ших значений и вызвать повреждение вентилей. Чтобы
этого не допустить, устройства управления вентилями
настраивают для работы с углами отпирания в опреде-
138
леиных интервалах, например от 30 до 150° или от 60 до
150° и т. д. Кроме того, параллельно с нагрузкой вклю-
чают так называемый обратный диод (рис. 5.8, а), через
который в нагрузке при закрытых вентилях поддержи-
вается рабочий ток за счет запаса энергии в реактивном
элементе. Графики процессов, протекающих при наличии
обратного диода, показаны на рис. 5.8, г. Линия тока в
нагрузке /н не имеет разрыва.
При анализе схемы выпрямления с индуктивной на-
грузкой видно, что один из управляемых вентилей мож-
но заменить неуправляемым диодом. При запертом вен-
тиле (а = 180°) ток протекает по неуправляемому диоду;
в течение следующего полупериода открывается уп-
равляемый вентиль и ток проходит по нему. Замена
части управляемых вентилей неуправляемыми позволя-
ет снизить стоимость выпрямителя и упростить схему
управленйя им. Кроме того, благодаря применению уп-
равляемых вентилей из схемы выпрямления можно
исключить силовой трансформатор н подключить выпря-
мительное устройство непосредственно к электрической
линии. Максимальный ток в нагрузке имеет место при
угле отпирания а=0 (относительно линейного напряже-
ния), затем уменьшается при возрастании сдвига уп-
равляющих сигналов.
Желательным является вариант нагрузки трехфаз-
ной цепи с нейтральным проводом. Такая схема обеспе-
чивает равномерную загрузку фаз и значительное умень-
шение пульсаций выходного сигнала.
В промышленности широкое распространение получили трехфаа-
ные мостовые симметричные и несимметричные схемы управляемых
выпрямителей для мощных электроприводов различного заводского
оборудования. В симметричных схемах, как правило, все вентилй
управляемые, а в несимметричных применяется часть управляемых,
остальные — неуправляемые.
Устройства управления вентилями. Существует много
вариантов устройств управления. На рис. 5.9 приведена
схема фазового управления тиристором V, включенным
последовательно с нагрузкой в цепь переменного тока?
такие устройства называют фазовращателями. Схема
содержит .КС-звено и два диода: VI и V2. Регулируемый
резистор R и конденсатор С присоединены параллельно
тиристору V, управляющий электрод которого через ди-
од VI подведен к общей точке между резистором R и
конденсатором С, Диод VI не пропускает на управляю-
139
щий электрод обратное напряжение; диод V2 обеспечи-
вает выпрямление напряжения для зарядки конденсато-
ра— без него он будет заряжаться и разряжаться с
частотой питающего напряжения U.
Фазовращатель позволяет изменять угол а в преде-
лах от 0 до 90° и управлять током в нагрузке (напри-
мер, в лампе накаливания Л) и
в цепи тиристора от максималь-
ного значения до нуля.
ES
Рис. 5.9. Схема простейшего фазовраща-
теля.
Фаза выходного напряжения в управляемых выпря-
мителях при заданной частоте зависит от сопротивления
R и емкости С. Угол отпирания тиристора можно подсчи-
тать по формуле a=arctgco/?C, где a>=2nf — угловая
частота напряжения сети. Если изменять угол до 180°, то
ток будет уменьшаться до нуля.
Фазовращатели, собранные по приведенной схеме,
пригодны для управления тиристорами небольшой мощ-
ности с малым током в цепи управления. В установках
с мощностью более 1 кВт управление тиристорами осу-
ществляется, как правило, при помощи магнитных уси-
лителей и фазорегуляторов по более сложным схемам,
содержащим генераторы импульсов, электронные усили-
тели, синхронизаторы и другие устройства.
Контрольные вопросы
1.	Как устроены выпрямители, где они применяются? Назовите
достоинства н недостатки выпрямительных схем.
2.	Оцените значения составляющих — гармоник напряжения (то-
ка), выпрямленного по одиополупериодной схеме.
3.	Перечислите основные функции трансформатора в выпрями-
теле. Как прн помощи трансформатора можно увеличить число фаз
выпрямителя?
4.	В каких случаях необходимо последовательное, параллельное
и смешанное соединение вентильных элементов в выпрямительных
схемах? Чем обеспечивается равномерность их загрузки?
5.	Какова функция реактивных элементов — конденсатора и ин-
дуктивной катушки — в сглаживающем фильтре? Поясните примера-
ми их работу.
6.	Изобразите схемы наиболее распространенных сглаживающих
фильтров; объясните их особенности.
7.	Какими параметрами оценивается сглаживающее действие
фильтра?
140
8.	Найдите коэффициент пульсаций выпрййителя, на выходе ко-
торого амплитуда первой гармоники равна 100 В, а постоянная со-
ставляющая 17»=40 В.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
«Л. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электронным усилителем называется устройство, в
котором входной сигнал (напряжение, ток) управляет
более мощным потоком энергии, поступающей от источ-
Рис. 6.1. Структурная схема усилителя.
1 — источник входного сигнала; 2—усилитель;
3 — нагрузка усилителя; 4 — источник энер-
гии.
ника питания к нагрузке. Устройство усилителя поясня-
ется рис. 6.1. Электрические колебания поступают от
источника сигнала 1 на вход усилителя 2, к выходу ко-
торого присоединена нагрузка <?; энергия для работы
усилителя и нагрузки подводится от источника питания
4. Электрическими сигналами могут быть гармонические
колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо-
угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма
колебаний являются существенными факторами, опреде-
ляющими тип усилителя. Так, например, простейшим
входным сигналом является непрерывный синусоидаль-
ный сигнал а=Ат sin (coZ-j-ф), где а и Ат — соответст-
венно мгновенное и амплитудное значения либо ЭДС,
либо тока, либо мощности, ® — угловая частота, с-1,
ф — начальная фаза колебания, t — время, с. Источни-
ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи-
тывающие головки магнитных накопителей информации,
различные преобразователи неэлектрических парамет-
ров в электрические.
141
Усилитель состоит из активных и пассивных элемен-
тов: к активным эле центам относятся транзисторы, элек-
тронные лампы и другие нелинейные элементы, облада-
ющие свойством изменять электропроводность между
выходными электродами под воздействием управляюще-
го сигнала на входных электродах. В большинстве слу-
наев одного элемента недостаточно и в усилителе при-
меняют несколько активных элементов, которые соеди-
няют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные
первым элементом, поступают на вход второго, затем
третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну сту-
пень усиления, называется каскадом. Пассивными эле-
ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки
индуктивности и другие элементы, формирующие необхо-
димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па-
раметры усиления. Каскад состоит из минимально не-
обходимого набора активных и пассивных элементов.
Нагрузкой являются громкоговорители, электриче-
ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д.
Источники питания вырабатывают энергию с заданными
параметрами — номинальными значениями напряжений,
токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных
и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод-
ных цепях ламп; используется для поддержания задан-
ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки.
Нередко энергия источников питания требуется и для
работы преобразователей входных сигналов.
Классификация усилителей. Усилители подразделя-
ются по многим признакам, типам применяемых усилительных эле-
ментов и связей между ними, диапазонам усиливаемых частот, по ко-
личеству каскадов, по назначению и т. д. Так, например, различают
транзисторные и ламповые усилители, состоящие из одного или не-
скольких каскадов, каскады соединены между собой либо непосред-
ственно, либо с помощью резнсторно конденсаторных цепей или
трансформаторов. От вида связи зависят частотные характеристики.
В зависимости от частоты сигналов усилители подразделяют на
усилители низкой, высокой и сверхвысокой частоты, широкополосные
и импульспые, а также усилители постоянного тока. Звуковые сиг-
налы (речь, музыка), например, имеют в своем составе колеоания
с частотами от 20 Гц До 2и кГц. Для нх усиления используют усили-
тели низкой (или звуковой) частоты. Телевизионные сигналы занима-
ют полосу частот от оО Гц до 5—S МГц, и их усиление осуществля-
ется видеоусилителями, которые входят в группу широкополосных
усилителей. Усилители сигналов очень малой частоты, начиная с ну-
левой, называют усилителями постоянного тока
Усилители являются неотъемлемой составной частью
любого радиоэлектронного устройства, применяемого в
142
измерительной технике, в системах автоматического уп-
равления, в медицинских и бытовых приборах, в науч-
но-исследовательской аппаратуре.
6.2.	ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЕН
К показателям работы усилителей относятся вход-
ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа-
зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па-
раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа-
тационные свойства.
К входным данным относятся номинальное значение
входного сигнала (напряжения U\, тока Ц или мощно-
сти Pi), входное сопротивление, входная емкость или ин-
дуктивность; ими определяется пригодность усилителя
для конкретных практических применений. Входное со-
противлениё Rm в сравнении с сопротивлением источ-
ника сигнала /?и предопределяет тип усилителя; в зави-
симости от их соотношения различают усилители напря-
жения (при Рвх>Ри), усилители тока (при /?ВХ<РИ)
или усилители мощности (при /?ВХ=РИ). Входная ^ем-
кость Свх, являясь реактивной компонентой сопротивле-
ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо-
чего диапазона частот.
Выходные данные — это номинальные значения выход-
ного напряжения U2, тока Д, выходной мощности Рг и
выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол-
жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на-
грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть
активными или иметь реактивную составляющую (ин-
дуктивную или емкостную). В общем случае каждое
из них равно полному сопротивлению Z, содержащему
как активную, так и реактивную составляющие
Z = /Р2 + (fi>L — 1/соС)2 = ]/>а4-ха.
Маломощные усилители имеют мощность до 0,5 Вт,
мощность усилителя для высокочастотных нагреватель-
ных устройств часто равна нескольким сотням киловатт
Коэффициентом усиления называется отношение вы-
ходного параметра ко входному. Различают коэффициен-
ты усиления по напряжению Ku=UzlUi, потоку Ki= /2//i
и мощности Кр=Р2/Рь
В усилительной технике наряду с коэффициентом уси-
ления К, измеряемым в относительных единицах, широ-
143
ко применяется выражение К в логарифмических еди-
ницах— децибелах, например /Ср(дБ) =20lg (C/2/^i)-
Если /Ср=100, то /Си(дБ) =201g 100 = 20-2=40. Пользо-
вание логарифмическими единицами измерения особенно
удобно при вычислении общего усиления многокаскад-
ного усилителя, когда умножение коэффициентов усиле-
ния каскадов заменяется простым действием—сложе-
нием их логарифмов.
Рис. 6.2. Амплитудная ха-
рактеристика усилйтеля.
Рнс. 6.3. Амплитудно-частотные ха-
рактеристики усилителей.
Характеристики усилителя отображают его способ-
ность усиливать с определенной степенью точности сиг-
налы различной частоты и формы. К важнейшим харак-
теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот-
ная, фазо-частотная и переходная. Амплитудная
характеристика представляет собой зависимость ампли-
туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого
на вход гармонического колебания определенной час-
тоты С/Вых=Ф((/вх) (рис. 6.2). Входной сигнал изменя-
ется от минимального до максимального значения, при-
чем уровень минимального значения должен превышать
уровень внутренних помех Un, создаваемых самим уси-
лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех)
амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли-
туде входного (7вых = /(С/вх и амплитудная характерис-
тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало
координат. В реальных усилителях избавиться от йомех
не удается, поэтому его амплитудная характеристика от-
личается от прямой.
Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отра»
жают зависимость коэффициента усиления от частоты.
Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов
144
сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы-
ходные сигналы сдвигаются относительно входных на
различные углы. Амплитудно-частотная характеристика
в виде зависимости К/К.тах=^(1) представлена на рис.
6.3. По оси ординат откладывают значения модуля коэф-
фициента усиления в относительных единицах, KIKmax
по оси ординат — частоту f или угловую частоту <& =
= 2nf в логарифмическом масштабе, очень удобном для
Рис 6 4 Фазо-частотная харак- Рис. 6 5. Входной сигнал (/) и
теристика.	переходные характеристики
усилителя апериодического (2)
и колебательного типов (5).
широкого диапазона частот. Кривая 1 соответствует уси-
лителю низкой частоты: на частотах ниже 100 и выше
1000 Гц коэффициент усиления монотонно уменьшается.
Кривая 2 отражает свойство другого — широкополосно-
го— усилителя: примерно одинаково усиливать сигналы
в полосе частот от 50 Гц до 100 кГц. Рабочим диапазо-
ном частот усилителя называют интервал частот, в пре-
делах которого модуль коэффициента усиления К оста-
ется постоянным или изменяется в заранее заданных пре-
делах. Например, для усиления сигналов речи необходим
усилитель с рабочим диапазоном частот от 50 Гц до 6—7
кГц, для качественного воспроизведения музыки — уси-
литель с диапазоном от 20 Гц до 15 кГц; в ЭВМ часто
используются усилители с верхним пределом частоты,
равным 100 МГц и выше.
Фазо-частотной характеристикой называется частот-
ная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала
по отношению к фазе входного (рис. 6.4). Положитель-
ные значения (р=фг—фь откладываемые на вертикаль-
ной оси, соответствуют опережению фазы выходного на-
пряжения относительно фазы входного. Диапазон частот
10—(107
145
от 0 до /о называют диапазоном нижних частот. На ча-
стоте f0 фазовый сдвиг равен 0; далее, с увеличением
частоты угол сдвига имеет отрицательное значение.
Переходной характеристикой является реакция или
отклик [мгновенное значение выходного напряжения
«BHx=f(01 усилителя на единичный скачок входного
напряжения.
Переходную характеристику определяют по ее изоб-
ражению на экране осциллографа при подаче на вход
усилителя напряжения прямоугольной формы (график 1
на рис. 6.5). Процесс изменения выходного сигнала мо-
жет быть либо апериодическим (кривая 2), либо колеба-
тельным (кривая 3). Переходная характеристика коли-
чественно оценивается временем нарастания сигнала от
0,1 до 0,9 установившегося значения, наибольшим вы-
бросом б (для колебательного процесса) и значением
спада А плоской части характеристики к определенному
моменту tz.
Потребляемая мощность и КПД. Для работы усили-
теля требуется несколько источников энергии—для анод-
ных или коллекторных цепей, для смещения вводных
сигналов, для цепей накала ламповых катодов и других
целей. Коэффициент полезного действия т] определяется
отношением номинальной выходной мощности усили-
теля РВЫх к суммарной потребляемой мощности Рпит5
Т| =Рвых/Рпит ~ 154-70%.
. Искажения сигнала в усилителе, т. е. отклонение
формы выходного сигнала от формы входного, происхо-
дят по различным причинам. Искажения подразделяют-
ся на линейные и нелинейные. Линейные искажения
обусловлены влиянием на сигнал реактивных элемен-
тов; различают частотные, фазовые и переходные. Ча-
стотные искажения вызывают изменение формы сигна-
ла. Мерой частотных искажений является коэффициент
частотных искажений М, который равен отношению мо-
дуля коэффициента усиления на средней (резонансной)'
частоте Ко к модулю коэффициента усиления на нижней
К» или верхней Кв частоте: МЯ = КО/КВ, Мв=Ко/Кв.
Фазовые искажения появляются .при несовпадении
реальной фазовой характеристики с идеальной в задан-
ном диапазоне частот; они обусловлены наличием реак-
тивных элементов в схеме усилителя. Фазовые искаже-
ния измеряются угловыми единицами; они не имеют су-
щественного влияния на качество воспроизведения
146
звука, но оказываются недопустимыми в усилителях для
вычислительных машин и автоматических систем.
Переходные искажения проявляются в виде искаже-
ния формы усиливаемых импульсов: уменьшения кру-
тизны фронта прямоугольного сигнала, выброса 6 и за-
вала плоской его части Д, спада.
Нелинейные искажения возникают в усилителе вслед-
ствие неправильного выбора режима работы усилитель-
ного элемента. Возникновение нелинейных искажений
поясняется рис. 6.6. Входной гармонический сигнал (кри-
вая 1) поступает в базовую цепь транзистора, характе-
ристика 1’к=ф(иБ) (кривая 2) имеет резко выраженный
нелинейный участок. В результате амплитуда положи-
тельной полуволны выходного тока превышает ампли-
туду отрицательной полуволны (кривая 3). Усиленный
сигнал при этом состоит из суммы гармонических состав-
ляющих. Нелинейные искажения оцениваются коэффи-
циентом гармоник Кг' как отношение действующего зна-
чения высших гармоник выходного тока к действующему
значению первой гармоники тока:
+•••+/„//„,
где индексами If, 2f и т. д. отмечены частоты первой,
второй и следующих гармоник. Нелинейные искаже-
ния устраняют или ослабляют в усилителях для усиле-
ния звуков и измерительных целей; усилители автома-
тических устройств очень часто работают в нелинейном
режиме, так как при этом возрастает КПД.
Внутренние помехи в виде небольшого напряжения
на выходе при нулевом входном сигнале присущи каж-
дому усилителю. Их подразделяют на шум и фон. Шум
возникает вследствие теплового движения электронов в
активных и пассивных элементах каскада и ряда дру-
гих причин. Фон представляет собой постороннее напря-
жение в выходной цепи усилителя, проникшее от выпря-
мителя или наведенное электрическим и магнитным по-
лями работающих поблизости электрических устройств.
6.3.	МОДЕЛЬ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Усилительный каскад — конструктивное звено усили-
теля— содержит один или более активных (усилитель-
ных) элементов и набор пассивных элементов. Активные
10*
147
(усилительные) элементы (транзисторы, электронные и
газоразрядные лампы, тиристоры и др.), управляемые
входным сигналом, преобразуют энергию источника пи-
тания в энергию выходного сигнала нагрузки, т. е. осу-
ществляют усиление. Пассивные элементы — резисторы,
конденсаторы, трансформаторы, дроссели, нелинейные
элементы — обеспечивают заданный режим работы уси-
лительного элемента.
Рнс. 6.6. Графики, поясняющие
возникновение нелинейных ис-
кажений.
Рнс. 6.7. Модель усилительного
каскада.
На практике для большей наглядности сложные про-
цессы часто исследуют на простых моделях. Уподобим
усилительный элемент символическому переменному ре-
зистору, выходное сопротивление которого автоматиче-
ски регулируется входным усиливаемым сигналом. Схе-
ма такой модели показана на рис. 6.7.
Активный усилительный элемент УЭ последовательно
с резистором RK присоединен к источнику питания Е. Из
трех электродов активного элемента один является об-
щим для входной и выходной цепей. Входная цепь состо-
ит из источника сигнала ес, конденсатора Сх и подвиж-
ного контакта, выполняющего роль управляющего элек-
трода. Выходную цепь образуют два электрода с регули-
руемой проводимостью и нагрузка Rw, подключенная к
ним. Управляющим электродом может быть база
(затвор) транзистора или сетка лампы. Напряжение,
подведенное к этому электроду, воздействует на актив-
ный элемент, что в рассматриваемой на рис. 6.7 модели
эквивалентно перемещению подвижного контакта пере-
менного резистора: при перемещении вверх сопротивле-
148
ние /?аэ возрастает, при движении вниз — уменьшается.
Поскольку резистор /?аэ соединен последовательно с по-
стоянным резистором > то изменения сопротивления
Лаэ сопровождаются синхронным перераспределением
падений напряжения в выходной цепи, которая присоеди-
нена к внешнему источнику энергии Ё. Выходной сигнал
(напряжение между точкой А и корпусом) равен иВых =
= Е—1Вых^?к> он выделяется на нагрузке /?н. Когда вход-
ной сигнал отсутствует, в це-
пях УЭ протекают постоянные
токи; при появлении перемен-
ного входного сигнала в цепях
существуют и постоянные, и
Рис. 6 8. Транзисторный усилитель-
ный каскад с резисторно-конденсатор-
ными связями.
переменные токи. Пассивными элементами этой модели
являются конденсаторы Ci и С2, резисторы и RH. Кон-
денсаторы отделяют цепи постоянного от цепей перемен-
ного тока, пропуская на вход и в нагрузку только пере-
менные составляйицие. Постоянный резистор#к> являясь
частью делителя напряжения, участвует в формировании
выходного сигнала; его сопротивление во многих случа-
ях должно быть соизмеримым с сопротивлением актив-
ного элемента УЭ в моменты его наибольшего и наи-
меньшего значений.
Каскады подразделяются по многим признакам — по
типу активного элемента (транзисторные, триодные, пен-
тодные и т. д.), по назначению (усилители напряжения,
тока или мощности), по виду связей между каскадами
(резисторно-емкостные, трансформаторные) и т. д.
Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере-
менного тока приведен на рнс. 6.8. Транзистор VI р-п-р типа вклю-
чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база — эмит-
тер создается источником с ЭДС Ес н внутренним сопротивлением
Ля. В цепи базы установлены резисторы и Ли. Коллектор тран-
зистора соединен с отрицательным зажимом источника через ре-
зисторы /?к и R$. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора
н эмиттера н через конденсатор С2 поступает в нагрузку Ля.
Принцип работы каскада поясняется графиками
рис. 6.9. На рнс. 6.9, а представлена идеализированная входная ха-
рактеристика транзистора с кривыми входного тока и напряжения, а
на рнс. 6.9, б — линия нагрузки на координатных осях выходных сиг-
149
налов — тока и напряжения — и графики их изменения. В исходиом
состоянии транзистор открыт смещающим напряжением Uelt, уро-
вень которого определяется точками покоя П и П'. Во входной и
выходной цепях транзистора протекают постоянные токи покоя. От-
рицательные полупериоды напряжения сигнала складываются с от-
рицательным напряжением смещения, что приводит к увеличению
коллекторного тока, потенциал точки А (рис. 6.8) приближается к
потенциалу корпуса, и выходной ток /ВЫх растет в соответствии с
формулой /Вых= (£к—Положительный полупернодвход-
ного сигнала понижает отрицательный потенциал смещения, трапзи-
Рис. 6.9. Графики, поясняющие процесс усиления колебаний.
стор плавно закрывается, его сопротивление значительно увеличива-
ется в точке возникает потенциал Ua-+(—£к), Т°К
в выходной цепи стремится к нулю 7ВЫх=(Дк—(проек-
ция точки Л на вертикальную ось, рнс. 6.9, б). Таким образом, в со-
стоянии покоя при отсутствии входного сигнала через УЭ каскада
проходит постоянный номинальный ток покоя; при наличии входного
сигнала токи в цепях, ограниченных конденсаторами Ct н Са, содер-
жат и постоянную и переменную составляющие. В каскаде с тран-
зистором, включенным по схеме с общим эмиттером (рис. 6.9), от-
четливо видно, что выходное напряжение 77, ых изменяется в про-
тивофазе со входным.
Поскольку при входном сигнале в десятки милливольт (или мик-
роампер) выходной сигнал достигает нескольких вольт (или милли-
ампер), то в каскаде имеет место усиление сигнала. По значениям
напряжений н токов на входе и выходе, измеренным, например, по
графикам' их изменения, подсчитываются коэффициенты усиления кас-
када и КПД:
ЛУвшт „ 7выхт ,, 77выхт7выхт
и — v ’ К> ~ I ; КР~ ~~7j т
'вхт	^вхл'вхт
Т’вых ^вых/г. /вых т
п~~.------------
Благодаря конденсатору Ci переменное напряжение входного
сигнала свободно проходит в базовую цепь, а постоянное напряже-
150
ние смещения иея в цепь источника входного сигнала проникнуть
не может. Такую же роль выполняет н конденсатор Сз; он разде-
ляет выходную цепь и ветвь нагрузки по постоянной составляющей
коллекторного напряжения. Конденсатор С$ совместно с резистором
R$ образует 7?С-звено фильтра, который требуется, в частности, для
сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном
источнике £к с большим внутренним сопротивлением). Резисторы Ri
(см. рис. 6.8) служат для установки рабочей точки и для стаби-
Рис. 6.10. Режимы работы уси-
лительного каскада (А, В, С,
D) в зависимости от угла от-
сечки сигнала.
лизации режима работы транзистора при изменениях температуры
или при замене одного экземпляра другим.
Режимы работы усилительных элементов — так на-
зывают варианты (классы) усиления сигналов в зависи-
мости от соотношения амплитуды входного сигнала и
напряжения смещения. На практике широко применяют-
ся режимы А, АВ, В, ВС, С и D. Их особенности отра-
жены на рис. 6.10 в виде временных графиков входных
н выходных сигналов относительно идеализированной ха-
рактеристики усиления.
Выходные сигналы смещены, как и входные, на соот-
ветствующие уровни. В результате в выходной цепи мо-
жет произойти отсечка части сигнала по уровню. При-
151
менительно к синусоидальному сигналу глубина отсечки
оценивается углом отсечки сигнала. Половина длитель-
ности токового импульса в выходной цепи, выраженная
в угловой (радианной) мере, называется углом отсечки
0 (рис. 6.10).
Смещение осуществляется введением в управляю-
щую цепь УЭ напряжения смещения UCm, действующего
совместно с усиливаемым — входным сигналом С/Вх-
Режим А (иногда называют режимом усиления клас-
са А) характеризуется тем, что напряжение смещения
превышает амплитуду входного сигнала 0=л. Работа
каскада в этом режиме уже рассмотрена и подробно ил-
люстрирована рис. 6.9; он отражен также и иа рис. 6.10
графиками А и А'. Каждая полуволна сигнала усилива-
ется одинаково, и на выходе каскада переменная состав-
ляющая тока имеет также синусоидальную форму. При
отсутствии входного синусоидального сигнала каскад
потребляет от источника такую же мощность, как и при
его наличии (см. рис. 6.9). Этот режим применяется, как
правило, в маломощных каскадах предварительного уси-
ления, в усилителях звуков (речи, музыки), в измери-
тельных и других усилителях с малым коэффициентом
искажений. Во многих практических случаях не требу-
ется высокая точность воспроизведения входных сигна-
лов, и важным фактором становится экономичность уси-
лителей. При этом уменьшаются их масса и габаритные
размеры, повышается надежность. Компромиссное реше-
ние достигается благодаря применению других режимов
усиления.
В режиме В напряжение смещения UCM выбирают та-
ким, чтобы точка покоя находилась почти в самом нача-
ле идеализированной характеристики (в точке О,
рис.6.10, графики В и В'). При наличии входного сигна-
ла ток в выходной цепи имеет пульсирующий характер и
протекает в течение половины периода; постоянная со-
ставлящая выходного тока равна нулю при отсутствии
сигнала и равна среднему значению тока однополупери-
одного выпрямления при прохождении сигнала. При от-
сутствии сигнала каскад почти не потребляет мощность
от источника питания. При усилении КПД достигает
70%. Однако выходной сигнал сильно искажается, так
как содержит много четных гармонических составляю-
щих с относительно большими амплитудами. Этот ре-
жим используется в так называемых двухтактных уси-
152
лительных каскадах и в усилителях с резонансными
свойствами. В режиме В 0 = л/2.
Режим АВ характеризуется углом отсечки л/2<0<л,
он занимает промежуточное положение между режима-
ми А и В; в этом режиме коэффициент нелинейных иска-
жений значительно меньше, чем в режиме В, а КПД
достигает 60%.
Режим С (0<л/2, графики С и С') отличается высо-
кой экономичностью и значительным уровнем нелиней-
ных искажений. Этот режим пригоден для резонансных
усилителей, эффективно отфильтровывающих высшие
гармоники, и для электрических приводов автоматиче-
ских систем.
Режим D (0<1О°, графики D и D') часто применяет-
ся в переключающих устройствах, работающих в ключе-
вом режиме, например в усилителях для электроприво-
дов автоматических систем; в ключевом режиме работа-
ют многие блоки ЭВМ и измерительно-информацион-
ных систем. В этом режиме усилительный элемент
поочередно то открыт и рабочая точка находится в зоне
насыщения, то заперт и рабочая точка перемещается в
зону отсечки. Скорость перехода из состояния отсечки
в состояние насыщения характеризует быстродействие
усилительного элемента. В состоянии отсечки р-п-р
транзистор поддерживается входным сигналом положи-
тельной полярности (рис. 6.10, график D' на горизон-
тальной оси). Переброс транзистора в состояние насы-
щения производится импульсом значительной величины
(для р-п-р транзистора — отрицательной полярности),
и рабочая точка переходит в зону насыщения — точку
N. В цепях транзистора устанавливаются коллекторный
ток насыщения 1k,h^Ek/Rk и ток насыщения базы 7е,н>
>7к,н/Р-
, В режиме D транзистор потребляет очень малую
мощность, поскольку в состоянии отсечки при высоком
напряжении на коллекторе очень мал коллекторный ток,
а в состоянии насыщения при большом коллекторном то-
ке напряжение значительно меньше 1 В.
Сравнение режимов работы УЭ произво-
дят по ряду показателей, важнейшими из которых явля-
ются энергетические: потребляемая мощность Р, мощ-
ность нагрузки Рн, мощность потерь Рп и КПД т). Эф-
фективность режима работы оценивают по коэффициен-
ту использования мощности Ки,м, который равен отноше-
153
НИЮ максимальной мощности нагрузки к максимальной
мощности потерь: Ки,м=Ян/Яп- Так, в режиме А Ки.м5»
«0,5; в режиме В Ки,м=»3, а в режиме D Ка,м~ 504-100,
т.е. в этом режиме т) близок к 100%.
Для примера рассмотрим упрощенную схему транзисторно-
го каскада с индуктивной нагрузкой (обмоткой электродвигателя),
работающего в ключевом режиме (рнс. 6 11,а). В исходном состоя-
нии (прн равенстве нулю входного сигнала Ubi) транзистор заперт
Рис. 6.11 Иллюстрация работы транзистора в ключевом режиме D
с индуктивной нагрузкой н обратным диодом.
положительным напряжением источника Ее и по нагрузке ток не
протекает. При подаче отпирающего отрицательного импульса
«вгЗ>Ес (рис. 6.11,6) транзистор перебрасывается в состояние на-
сыщения и по нагрузке £н проходит ток, увеличиваясь но экспонен-
циальному закону до некоторого максимального значения. После ис-
чезновения импульса в момент h транзистор запирается, а ток <раз-
ряда» индуктивности 1'ьн проходит через обратно включенный диод,
после чего процесс повторяется. Таким образом, в выходной цепи
устанавливается средний ток /н.ср. По аналогичной схеме включа-
ются для работы электродвигатели автоматических устройств.
6.4.	КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ.
МЕЖДУКАСКАДНЫЕ СВЯЗИ. СОСТАВНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Каскады предварительного усиления обеспечивают
усиление входных сигналов до уровня, достаточного для
возбуждения оконечных каскадов — усилителей мощно-
сти. Чтобы каскадов было меньше, в них применяются
усилительные элементы с высоким коэффициентом уси-
ления и соответствующим способом их включения (если,
например, транзисторы — то по схеме с ОЭ). Пассивные
элементы — резисторы, конденсаторы, трансформато-
ры— обеспечивают режим работы усилительного эле-
154
мента с максимальным коэффициентом усиления по на-
пряжению с минимальными искажениями и помехами.
Предварительный усилитель в транзисторном вариан-
те приведен на рис. 6.12. Он состоит из входного устрой-
ства 1 и двух каскадов с транзисторами V2 и V3. Во вход*
ном устройстве имеются коммутационные элементы
(соединители, переключатели) и корректирующие цепи.
Первый каскад содержит транзистор V2, конденсаторы
Рис. 6.12. Вариант предвари-
тельного двухкаскадного уси-
лителя.
С], С3, резисторы /?1—/?4 и диод VT, второй каскад со-
держит транзистор V3, резисторы /?6, #7 и конденсаторы
Ci, С$. Усиливаемые сигналы ei—еп поступают на вход-
ное устройство, а с его выхода через конденсатор С\ — на
базу транзистора V2. Оба транзистора включены по схе-
ме с общим эмиттером. Выход первого каскада (коллек-
тор V2) непосредственно соединен с базой транзистора
V3; сигнал с коллектора второго транзистора V3 посту-
пает через конденсатор С$ на переменный резистор Rs—
регулятор уровня, а затем на вход оконечного каскада.
Питание каскадов осуществляется от источника Ек. Пер-
вый каскад как наиболее чувствительный к воздействию
помех имеет в цепи питания фильтрующее звено R5C2.
Штриховая линия вокруг входных проводников, подве-
денная к корпусу, означает экранирование проводников
от воздействия внешних электромагнитных полей.
Основные входные и выходные дан-
ные усилителя. Напряжение и ток входных сигна-
лов 5—50 мВ и 0,1—0,3 мА соответственно (от микрофо-
на или магнитных головок магнитофона); диапазон
частот от 50 Гц до 12 кГц (свойствен уси-
лителям низкой частоты); выходной сигнал 3—5 В,
20—30 мА; напряжение питания 12 В; ток 0,3 А; коэф-
фициент нелинейных искажений АГ«С1>5%.
Принцип работы и назначение отдель-
ных элементов схемы. Каскады предварительного
165
усиления относятся к усилителям высокой точности ра-
боты, поэтому транзисторы работают в режиме А. На-
пряжение смещения поступает на базу транзистора V2
из цепи /?ь /?г, VI. Конденсатор С\ защищает входное
устройство от проникновения в него постоянного тока
и беспрепятственно пропускает входное переменное на-
пряжение. На резисторах /?3 и Re происходит выделение
переменной составляющей усиливаемого напряжения.
Во время работы и при изменении температуры окру-
жающей среды транзисторы могут нагреваться, вслед-
ствие чего изменятся их входные и выходные характери-
стики. Чтобы не ухудшились показатели усиления, в
каскадах предусмотрены стабилизирующие и корректи-
рующие элементы. Ими являются диод VI, резисторы Ri,
Rt, Ri и конденсаторы Сз, С4. При нагревании проводи-
мость днода возрастает, отчего уменьшается напряже-
ние смещения и коэффициент усиления транзистора' не
меняется. Стабилизирующим свойством обладают также
цепи /?4С3 и RiCb С повышением коллекторного тока
(при нагревании) увеличивается ток эмиттера /э и на-
пряжение Ua^RJs . Это напряжение отрицательным по-
люсом приложено к эмиттеру, а положительным — че-
рез диод и резистор Ri передается к базе; в результате
рабочая точка на линии нагрузки не перемещается и ре-
жим работы транзистора не изменяется. Эффективность
стабилизации зависит от значений сопротивлений рези-
сторов в эмиттерных цепях. Конденсаторы Сз и С4 шун-
тируют сопротивления /?4 и Ri соответственно по пере-
менной составляющей эмиттерного тока. Существуют и
другие способы стабилизации усилительных элементов.
Каскады предварительного усиления могут быть выпол-
нены также на основе полевых транзисторов и электрон-
ных ламп; существуют смешанные — лампово-транзи-
сторные усилители.
Цепь междукаскадной связи предназначена для пере-
дачи сигналов с выхода предыдущего каскада на вход
следующего каскада. Широко распространены схемы не-
посредственной, резисторно-конденсаторной, дроссельно-
конденсаторной, трансформаторной связи и их комбина-
ции. Элементы, образующие цепь междукаскадной свя-
зи, оказывают сильное влияние на частотные характери-
стики усилителей.
Непосредственная связь каскадов осуществляется с
помощью проводника, соединяющего выход предыдуще-
156
го каскада с входом последующего (см. на рис. 6.12 про-
водник между коллектором V2 и базой Уз); такая цепь
наиболее проста, экономична и надежна, она обеспечи-
вает широкий диапазон частот передаваемых
сигналов, начиная с нулевой частоты (постоян-
ный ток), и минимальный уровень искажений.
Рис. 6.13. Дроссельно-конден-
саторная (а) и трансформатор-
ная (б) связи между усили-
тельными каскадами.
Резисторно-конденсаторная цепь отличается от пре-
дыдущей наличием конденсатора С, включенного между
выходным электродом предыдущего каскада и входным
электродом последующего (на рис. 6.12 конденсаторы
Ci и Сз). Этот вид цепей связи прост, удобен и надежен,
имеет небольшие габаритные размеры и массу, устраня-
ет влияние режимов работы по постоянному току одно-
го каскада на другой; для этой схемы можно взять мень-
шее напряжение источников питания. Однако наличие
емкости исключает возможность усиления сигналов очень
малой частоты, так как увеличивается емкостное сопро-
тивление цепи связи Хс=1/®С. В области высоких ча-
стот коэффициент усиления также уменьшается, по-
скольку возрастают утечки энергии в емкости монтажа
и междуэлектродной емкости усилительных элементов.
Дроссельно-конденсаторная связь между каскадами
выполняется в виде индуктивной катушки (нередко с
ферромагнитопроводом) L в цепи выходного электрода
и разделительного конденсатора С (рис. 6.13, а). Дрос-
сельная связь позволяет применить источники питания
с меньшим напряжением, чем в предыдущих схемах, и
повысить КПД каскада. Усилители этого типа часто ра-
ботают в режиме С и применяются в сочетании с реле
или электродвигателями: вместо дросселя включаются
обмотки; их удобно применять также в устройствах с
электромагнитным резонансом. В других случаях усили-
тели с дросселями применяются редко, поскольку они
обладают большими габаритными размерами и массой
157
и высокой стоимостью и оказывают вредное электромаг-
нитное влияние на соседние цепи и элементы.
Трансформаторная связь реализуется посредством
трансформатора (рис. 6.13,6), первичная обмотка кото-
рого включена в цепь выходного электрода (например,
коллектора), а напряжение со вторичной обмотки посту-
пает на вход следующего каскада. Трансформатор часто
используется в усилителях по двум причинам: его об-
мотки электрически изолированы одна от другой, что не-
маловажно для ламповых каскадов; кроме того, под-
бирая коэффициент трансформации, можно получить
наиболее рациональное соотношение между сопротивле-
ниями, напряжениями и токами. Коэффициент транс-
формации
п = №a/№i = U2/Ut = 4//,;
индексами 1 и 2 обозначены числа витков, напряже-
ния и токи первичной и вторичной обмоток соответст-
венно.
Пользуясь этой формулой, можно подсчитать сопро-
тивление, приведенное к первичной цепи,
р =
1	/1 п* /а п» '
Усилительный элемент передает максимальную мощ-
ность в случае равенства его выходного сопротивления
Гвн = /?1 приведенному сопротивлению нагрузки /?1 =
=/?2/п2- Из этого условия с учетом КПД трансформатора
Ятр определяется коэффициент трансформации режима
согласованных параметров п —VR2li}Ri • Трансформатор,
обладая индуктивностью, заметно влияет* на частотные
характеристики усилителя. Нижняя рабочая частота оп-
ределяется из условия равенства активного R и реактив-
ного xL сопротивлений: (aa=R/L. Для уменьшения часто-
ты ин необходимо увеличивать индуктивность первичной
обмотки L и, следовательно, размеры и массу трансфор-
матора.
К недостаткам усилителей с трансформаторной
связью относятся значительные частотные искажения,
увеличение размеров, массы и стоимости каскада. Транс-
форматоры применяются все реже, поскольку их трудно
совместить с интегральными микросхемами, производст-
во которых бурно развивается.
158
Составным транзистором называется соединение двух
или более транзисторов, эквивалентное одному транзи-
стору с большим коэффициентом усиления. Составные
транзисторы получили распространение из-за стремле-
ния уменьшить число каскадов за счет улучшения пара-
метров усилительного элемента, составленного из оди-
ночных (дискретных) транзисторов, и вследствие воз-
росших требований к надежности усилителей.
Рис. 6.14. Схемы составных транзисторов.
а — схема Дарлингтона; б — на комплементарных транзисторах (с дополни-
тельной симметрией) и в — каскодная.
Известно несколько вариантов схем составных тран-
зисторов (СТ). Наибольшей простотой отличается СТ,
известный под названием схемы Дарлингтона (рис.
6.14,а). Он имеет коэффициент усиления тока, равный
произведению коэффициентов усиления обоих транзисто-
ров: p=pip2- Входное сопротивление СТ Гвх = Гвх1 +
+ Гвх2(р + 1), т. е. оно значительно больше суммы сопро-
тивлений одиночных транзисторов. Выходное сопротив-
ление определяется как параллельное соединение вы-
ходных сопротивлений обоих транзисторов, т. е. оно
меньше выходного сопротивления каждого отдельно взя-
того транзистора. Составной транзистор обычно исполь-
зуют в оконечном каскаде, включая по схеме с общим
эмиттером. При этом мощность, отдаваемая в нагрузку,
определяется транзистором V2, а частотные свойства —
относительно маломощным транзистором VI с большей
рабочей частотой. Особенно часто СТ применяют в ка-
честве регулируемого транзистора в стабилизаторах тока
выпрямителей.
Второй вариант СТ, так называемый СТ с дополни-
тельной симметрией, представлен на рис. 6.14,6. Он вы-
полнен на комплементарных транзисторах — транзисто-
рах противоположных типов электропроводности: р-п-р и
п-р-п. Эмиттер первого транзистора соединяется непо-
159
средственно с коллектором второго; этот общий электрод
становится эмиттером составного транзистора, а коллек-
тором— эмиттер второго транзистора. Так как каждый
из каскадов изменяет фазу сигнала, то вместе они обра-
зуют неинвертирующий усилитель с коэффициентом на-
пряжения, меньшим единицы; СТ, собранный по этой
схеме, подобен эмиттерному повторителю — транзистору,
включенному по схеме с общим коллектором. Его
входное сопротивление получается большим, а выход-
ное— весьма малым; СТ с дополнительной симметрией
широко применяют в сглаживающих фильтрах выпрями-
телей тока.
В СТ, выполненном по так называемой каскодной
схеме (рис. 6.14,в), входной транзистор VI включен по
схеме с общим эмиттером, а выходной — с общей базой.
Такой составной транзистор эквивалентен одиночному
транзистору, включенному по схеме с ОЭ. Последова-
тельное включение позволяет более полно использовать
коллекторное напряжение, т. е. получить в нагрузке
большую неискаженную мощность при номинальной
мощности транзистора V2. Частотная характеристика
СТ подобна характеристике входного, менее мощного
транзистора VI. Это объясняется тем, что емкость кол-
лекторного перехода Ск транзистора VI шунтируется
малым входным сопротивлением второго транзистора, и
ее влияние на коэффициент усиления при увеличении
частоты ослабевает.
6.S.	ПИТАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ.
СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ. ОБРАТНЫЕ
СВЯЗИ
Усилительные каскады потребляют энергию постоянного и пере-
менного тока: транзисторные каскады, как правило, работают на по-
стоянном токе, для ламповых каскадов кроме постоянного тока час-
то требуется энергия переменного тока (цепи накала). Входные и вы-
ходные цепи каскадов работают при различных напряжениях
питания. Однако применять несколько источников питания не всегда
удобно, поэтому на практике для транзисторных усилителей исполь-
зуют обычно один общий источник постоянного тока, а для лампо-
вых — два источника: один — постоянного тока для питания анодных
и сеточных цепей и другой — переменного тока для накала катодов.
Питание транзисторных каскадов рассмотрим на приведенных
выше примерах. В каскаде на рис. 6.8 энергия поступает от источника
Е^ (зажимы — Е^ и корпус) в коллекторную цепь через резистор
и в базовую цепь — через резисторы Ri и Rn. Напряжение не-
*
160
точника питания коллекторной цепи большинства типов транзисторов
составляет 5—25 В (для некоторых мощных транзисторов до 600 В).
Больший ток проходит по коллекторной цепи, он зависит от типа
транзистора и режима его работы. Сопротивление RK обычно выби-
рают из условия	Во входной — базовой — цепи ток
используется для смещения рабочей точки (точки покоя) иа линии
нагрузки, т. е. дли обеспечения требуемого режима работы. В р-п-р
транзисторах на коллектор следует подавать отрицательное напря-
жение, базовая цепь смещается также отрицательным напряжением;
в п-р-п транзисторах используется положительное напряжение. Для
большинства типов транзисторов напряжение смещения на базе отно-
сительно эмиттера составляет менее 1 В.
В двухкаскадном усилителе (см. рис. 6.12) для первого каскада
(транзистор V2) требуется пониженное, но лучше сглаженное от
пульсаций напряжение. Понижение напряжении происходит на резис-
торе Rt, а пульсации.отфильтровываются конденсатором С2. Значе-
ние сопротивления определяется по формуле /?»= Аи/1к, в которой
Д1/ — падение напряжения — излишек напряжения коллекторной це-
пи транзистора V2, а /к— ток первого каскада; значение С2 опреде-
ляемся условием (I/wbCj) 4ZRi, где Шн — наименьшая круговая час-
тота усиливаемого сигнала. Напряжение смещения в базовых цепях
формируется делителем напряжения RiRz дли транзистора V2 и с
помощью резистора Ri для транзистора V3.
Усилители, построенные на полевых транзисторах, работают от
источииков постоянного тока. Особенность состоит в том, что в цепи
затвора протекает очень малый ток, порядка нескольких наноампер,
поэтому сопротивления резисторов в цепях смещении имеют боль-
шие значения.
Ламповые усилительные каскады потребляют энергию высокого
напряжения (80—300 В и более) при токе 0,1—0,2 А в анодных це-
пях; кроме того, необходима энергия для смещения не только в цепи
управляющей сетки, но н других сеток (экранной, противодииатрои-
ион). Накал катодов с косвенным подогревом осуществляется Пере-
менным током 0,2—5 А при напряжении 2—12 В; для катодов не-
посредственного накала требуются источники постоянного тока —
накальные батареи или выпрямители.
Стабилизация режимов работы усилителя. Усили-
тельный каскад (транзисторный или ламповый) сохра-
няет рабЬтоспособность и работает в заданном режиме
без искажения сигнала только в том случае, если точка
покоя (рабочая точка на характеристике) не выходит
из средней области рабочей зоны MN на линии нагруз-
ки (см. рис. 6.9). Этот режим обеспечивается соответст-
вующими электродными напряжениями. Вследствие из-
менения параметров, старения или замены усилительно-
го элемента при изменении температуры окружающей
среды, а также напряжения источников питания точка
покоя отклоняется от своего первоначального рацио-
нально выбранного для нее положения. Стабилизацией
режима покоя называется процесс, устраняющий откло-
нение точки покоя от первоначального положения.
11-Ю7	Ш
Смещение точки покоя осуществляют напряжением
смещения UCM, подаваемым на управляющий электрод
(например, на базу транзистора) наравне со входным
напряжением t/Bx. Это напряжение сдвигает рабочую
точку на заданный участок линии нагрузки. Существуют
различные способы смещения точки покоя. Часто приме-
няется фиксированное смещение с помощью отдельного
источника энергии или, лучше, общего источника пита-
ния каскада.
В транзисторных конструкциях таким источником яв-
ляется Ек (см. рис. 6.8). Дополнительные источники
энергии применять нежелательно.
Простейшим вариантом цепи фиксированного смещения явля-
ется делитель напряжения, состоящий из резисторов Ri и Rs, общей
точкой присоединенный к базе (см. рис. 6 8). При оптимальных зна-
чениях сопротивлений резисторов протекающий по ним той создает
требуемое неизменное иапряжеине смещения, которым и сдвигается
точка нокоя Этот простой способ, к сожалению, неприемлем при
значительных температурных колебаниях окружающей среды и эле-
ментов или изменениях питающего напряжения усилителя, так как
при этом существенно изменяются электродные токи УЭ. Таким об-
разом, фиксированное смещение надежно стабилизирует точку покоя
при неизменных условиях и не выполняет эту функцию прн отклоне-
ниях от нормы
Эмиттерная (или эмнгтерно-коллекториая) стабилизация точки
покоя существенно повышает стабильность характеристик усилителя.
Этот способ часто называют эмиттерно-коллекторной стабилизацией.
Для ее реализации в цепи эмиттера устанавливают резистор (/?« иа
рис. 6 12), на котором возникает падение напряжения, создаваемое
током в выходной цепи каскада Принцип стабилизации заключается
в том, что прн увеличении тока эмиттера возрастает падение напря-
жения иа резисторе R*. Это напряжение положительным (запираю-
щим) полюсом обращено к базе транзистора V2 (через резистор Ri
и диод VI) и автоматически сдвигает точку покоящем самым ком-
пенсируя уход тока от первоначального значения Для еще лучшей
стабилизации в цепь делителя иногда совместно с резистором Ri
включают диод VI, температурный коэффициент напряжения (ТКН)
которого отрицателен по отношению к ТКН эмиттерного перехода
транзистора. Совокупность фиксированного напряжения на базе и
падения напряжения в цепи эмиттера обусловливают независимость
тока эмиттера (и коллектора) от температуры.
Обратная связь в усилителях. Обратной связью (ОС)
называется передача части энергии выходного (усилен-
ного) сигнала «обратно» на вход каскада или усилителя.
Обратной связью могут быть охвачены отдельные кас-
кады, группы каскадов или весь усилитель, что осуще-
ствляется с помощью цепей, называемых цепями ОС.
Цепи ОС оказывают сильное влияние на все показатели
усилителя, поэтому их вводят в схему усилителя специ-
162
ально для изменения параметров и характеристик, а
иногда и для получения совершенно новых качественных
свойств усилителей. Цепи ОС могут также возникать
помимо желания конструктора из-за несовершенства
электронных приборов, ошибок при конструировании,
небрежном выполнении монтажа и оказывать вредное
(нежелательное) воздействие на работу усилителя; такие
ОС называют паразитными.
Увых~~и5ых
Рис 6 15 Варианты обратных связей
а — параллельная по напряжению, б — последовательная по току, в — после-
довательная по напряжению, г — параллельная по току
Различают положительную (ПОС) н отрицательную
(ООС) обратные связи. При ПОС сигнал обратной свя-
зи совпадает по фазе со входным сигналом (такие сиг-
налы называются синфазными), при их сложении сум-
марный входной сигнал увеличивается. При ООС сигнал
обратной связи отличается по фазе от входного на 180°
(такие сигналы называются противофазными), при их
сложении суммарный входной сигнал уменьшается
Цепь ОС может состоять нз комбинация пассивных и активных,
линейных н нелинейных элементов, может быть частотно-независимой
или частотно-зависимой (если в ней содержатся реактивные элемен-
ты, влияющие на коэффициент передачи цепи ОС в зависимости от
частоты сигнала). Посредством цепей ОС можно изменять форму
усиливаемого сигнала, что часто требуется в усилителях, применя-
емых в автоматике н в вычислительной технике.
11*	163
Способы осуществления ОС в усилительных
устройствах показаны на рис. 6.15. К одно- или много-
каскадному усилителю 1 подключена цепь ОС 2, которая
в явном (или в неявном) виде имеет два входных зажи-
ма, соединяемых с выходной цепью, и два выходных за-
жима, соединяемых со входной цепью усилительного уст-
ройства. Возможны четыре варианта обратной связи: по-
следовательная по напряжению (рис. 6.15,а), последо-
вательная по току (рис. 6.15,6), параллельная по
напряжению (рис. 6.15, в) и параллельная по току (рис.
6.15,г). Проведем анализ цепи последовательной ОС по
напряжению, показанной на рис. 6.15, а, с помощью на-
пряжений, определяющих эту связь.
При отсутствии обратной связи выходное напряже-
ние (7Вых может совпадать по фазе со входным (быть
синфазным) или не совпадать (быть противофазным),
что отражено направлением стрелок. В первом случае
(сплошные стрелки при U\ и ивЫх направ-
лены в одну сторону), во втором случае ивых = — ивы*
(пунктирные стрелки направлены противоположно
сплошным); при этом знак коэффициента усиления Ки
меняется на противоположный, т. е. Ки = — ^Вых/^Л =
= — Ки- Напряжение в цепи обратной связи определяется
формулой U00 = 0[/Вых, из которой следует, что коэффи-
циент передачи цепи ОС 0 = tA>,c/t4bix для синфазной
цепи и 0'=(/о.е/(/вых= —(/о,с/(/вых=-'0 для противофаз-
ной цепи. Если напряжение источника входного сигнала
t/Bx совпадает по фазе с напряжением Uo,o (обе стрелки
направлены в одну сторону), обратная связь положи-
тельна (ПОС); если UBX и l)oc противофазны (пунктир-
ная и сплошная стрелки направлены в разные стороны),
обратная связь отрицательна (ООС). В общем случае
Um = Ui+UOi0 (знак «—» для ПОС и знак « + » для
ООС). Общий коэффициент усиления напряжения с
цепью ОС
Г/ _ бвых _ 6ВЫХ _	6вых/^1____ _ KU
и°'С'	и**	^1Ч=(7О,С t/i/t/xTPt/Bux/t'i 1 =F PKtz '
(6.1)
Знаменатель выражения (6.1) определяет характер
влияния цепи ОС на работу усилителя и по степени это-
го влияния, называемой глубиной ОС, можно судить о
возможности использования ОС на практике. Рассмот-
164
рим два типичных варианта такого влияния: а) усили-
тель с цепью ПОС и б) усилитель с цепью ООС.
В усилителе с цепью ПОС знаменатель (6.1) удовле-
творяет неравенству: (1—fJKtz)d. При этом Кио,с>Ки
и, если 0Кц->-1, то знаменатель обращается в нуль,
а Кио,с->оо, т. е. усилитель самовозбуждается и начи-
нает работать как генератор электрических колебаний.
Поэтому ПОС как специальная мера применяется не в
усилителях, а в автогенераторах и других формирующих
устройствах.
В усилителе с цепью ООС имеет место неравенство
(1 + рКи) > 1. При этом согласно формуле (6.1) Кио,с<
<Ки, т. е. коэффициент усиления напряжения усилителя
с ООС уменьшается. Несмотря на это, ООС широко при-
меняется во всех усилителях, так как она повышает ста-
бильность режима работы усилителя и его параметров,
уменьшает нелинейные и частотные искажения (обеспе-
чивает равномерное усиление сигналов в более широком
диапазоне частот), увеличивает входное сопротивление
и т. д. Заменить один вид ОС на другой, например ПОС
на ООС, можно, поменяв местами провода цепи ОС.
Схемы усилителей отличаются большим разнообразием, в них
часто затруднительно определить вид ОС. Для этого на практике
иногда пользуются рекомендацией: если при мысленном замыкании
накоротко нагрузки усилителя напряжение ОС возрастает, то имеется
ОС по току, если уменьшается до нули (исчезает) — то по напряже-
нию; если при обрыве цепи ОС напряжение Ut обращается в нуль
(исчезает), то существует последовательная ОС, ие исчезает — парал-
лельная.
Резисторы Rt и R? в схеме усилителя (см рис. 6 12) обеспечи-
вают последовательную ООС по току для постоянных н переменных
составляющих. Чтобы устранить ООС по переменной составляющей,
резисторы шунтируют конденсаторами С3 и Ct, сопротивлении кото-
рых для самой низшей частоты сигнала должны быть много мень-
ше сопротивлений Rt и Rs. ООС по постоянным составляющим токов
и напряжений способствует стабилизации режима покоя усилителя,
для чего, собственно, и используют эти элементы в схеме.
М. ОКОНЕЧНЫЕ (ВЫХОДНЫЕ) КАСКАДЫ
Оконечным (или выходным) каскадом называется
каскад усилителя, который обеспечивает получение за-
данной мощности в подключенной к нему нагрузке:
громкоговорителе, управляемом электродвигателе, излу-
чателе электромагнитных колебаний и т. д. Основными
усилительными элементами оконечных каскадов явля-
165
ются транзисторы и электронные лампы большой мощ-
ности.
Разнообразны схемы оконечных каскадов, которые
по сравнению с каскадами предварительного усиления
имеют ряд особенностей. Во-первых, стремятся получить
высокий КПД, так как от этого зависит экономичность
и другие показатели усилителя; во-вторых, вводятся кон-
структивные решения, понижающие уровень нелинейных
искажений и помех в работе усилительных элементов.
Нагрузка может соединяться с каскадом различными
способами — с помощью трансформатора или непосред-
ственно. Широко применяется схема с трансформа-
торным выходом, так как трансформатор позво-
ляет преобразовать сопротивление нагрузки в требуемое
значение и тем обеспечить оптимальный режим работы
каскада. Кроме того, трансформатор в ламповом каска-
де отделяет цепь высокого анодного напряжения от цепи
нагрузки, что имеет важное значение по соображениям
безопасности обслуживания. Оконечные трансформатор-
ные каскады небольшой мощности (до 5—10 Вт) часто
выполняют по однотактной схеме, с работой в режиме А,
как на рис. 6.13,6. Каскады средней и большой мощно-
сти построены, как правило, по двухтактной схеме, в
двух плечах которой содержится четное число усили-
тельных элементов. Усиление сигналов производится по-
переменно, то одним, то другим плечом каскада. Эти
каскады работают в экономичном режиме В, и благо-
даря симметрии схемы нелинейные искажения выходного
сигнала сравнительно невелики.
Однотактные оконечные каскады во многом подобны
аналогичным каскадам предварительного усиления. Для
получения минимального коэффициента нелинейных ис-
кажений УЭ работают в линейном режиме А. Выходная
колебательная мощность каскада	выхтп/2 и
с учетом КПД трансформатора мощность в нагрузке
Р„ = т|^вых. Мощность Р, выделяемая на выходном элек-
троде (коллекторе, стоке, аноде), равна разности мощ-
ностей Ро (потребляемой от источника питания) иРвых—
отдаваемой транзистором: Р=Р0— Рвых. Мощность Р ма-
ксимальна при отсутствии усиливаемых сигналов, когда
Рвых—0. Выделяющаяся в транзисторе электрическая
энергия превращается в тепловую; при нагревании ток
коллектора 7ко увеличивается, КПД каскада уменьшает-
ся, а коэффициент нелинейных искажений Кг возраста-
166
ет. Отвод выделяющейся теплоты производится охлаж-
дающим радиатором, жестко скрепленным с транзисто-
ром и корпусом прибора. Основной недостаток однотакт-
ных усилительных каскадов заключается в их низком
КПД, не превышающем 35%.
Двухтактные каскады подразделяются на трансфор-
маторные и бестрансформаторные. В транзисторных ка-
скадах наиболее часто транзисторы включают по схеме
с общим эмиттером, в ламповых — по схеме с общим ка-
тодом. Двухтактный трансформаторный каскад показан
на рис. 6.16, а. Он состоит из транзисторов VI и V2,
трансформаторов — входного Т{ и выходного Т2, рези-
сторов и /?2 и источника питания £к. Схема содержит
две одинаковые половины, называемые плечами. Если
нужно получить мощность, большую, чем могут обеспе-
чить два усилительных элемента, в каждое плечо схемы
Параллельно включают по одному или более элементов.
Усилительные элементы работают в режиме В, который
обеспечивается смещающим напряжением, снимаемым
с делителя из резисторов Ri и R2. Трансформатор Tpi
предназначен для получения двухфазного напряжения
сигнала, используемого для возбуждения усилительных
элементов. Трансформатор Тр2 формирует выходной сиг-
нал в нагрузке. Ламповый двухтактный каскад на трио-
дах показан на рис. 6.16,6.
' Принцип работы двухтактного транзисторного каскада
рассмотрим с помощью рис. 6.16 и 6.17. При отсутствии входного
сигнала «их в базовых цепях транзисторов VI и V2 протекают не-
большие токи смещения, значительно меньш.ие, чем амплитудное зна-
чение входного сигнала, в коллекторных цепях транзисторов и по
двум частям первичной обмотки трансформатора Т2 протекают в
противоположных направлениях небольшие начальные токи покоя
и Ir2. При полной симметрии плеч магнитные поля, созданные
этими токами, компенсируются, и магиитопровод не имеет постоянно-
го подмагничивания, что облегчает конструктивное выполнение транс-
форматора.
Поступающие на базы транзисторов синусоидальные напряжения
противоположной полярности складываются с напряжением смеще-
ния и результирующие напряжения изменяются в противофазе
ивх1 — 6см — Um sin
Квх2 = Ucm ~f~Um sin •
В течение первого полупериода открыт транзистор VI и в цепи
«го коллектора протекает ток fK1=/Klp+/Km sin wf; транзистор V2
в это время закрыт. Через полпериода транзистор VI закрывается,
a V2 — открывается и ток 1к2 = \2р—s*no>^ Токи в цепях кас-
када показана на эпюрах, приведенных иа рисунке, Через источник
167
gK и проводник от среднего витка проходит ток в одном направле-
нии, ио по обеим частям первичной обмотки — в разных направле-
ниях. В результате магиитопровод трансформатора перемагничива-
ется синхронно с мгновенными значениями сигнала (для синусоидаль-
ного— дважды за период) и индуктирует во вторичной обмотке ток,
форма которого аналогична входному сигналу. Если каскад работает
в режиме В, то максимальное значение (амплитуда) коллекторного
тока и напряжения вдвое больше по сравнению с током и напряже-
нием в режиме А, что и отображено на «составной» диаграмме
Рис. 6.16. Двухтактные трансформаторные каскады с транзисторами
(а) и с триодами (б).
(рис. 6.17). На этой диаграмме совмещены статические характери-
стики симметричных транзисторов, проводящих ток со сдвигом в
180°. По горизонтальной оси нанесены напряжения источника Е к
(положительное — в одну сторону, отрицательное — в другую). По
вертикальной оси вверх откладываются значения коллекторного то-
ка транзистора VI, а вниз — значения коллекторного тока V2. Линия
нагрузки семейства статических характеристик одного транзистора
продолжает линию нагрузки семейства второго транзистора. Посколь-
ку транзисторы работают с углом отсечки 90° (режим В), то размах
колебания занимает всю область — от минимального до максималь-
ного значений базовых токов.
Снижение коэффициента нелинейных искажений -достигается
введением в базовые цепи небольших отпирающих токов смещения,
которые обеспечивают неискаженное усиление сигнала на начальных
участках входных характеристик (графики тока и напряжения, вы-
полненные сплошной линией); усиление без минимального смещения
сопровождается искажениями сигнала на переходе от одного тран-
зистора к другому (графики, выполненные штриховой линией).
Таким образом, применение двухтактного каскада позволило по-
высить КПД усилителя до 70%, уменьшить нелинейные искажении,
упростить н удешевить конструкцию. Существенными недостатками
трансформаторных оконечных каскадов являются наличие выходного
трансформатора и формирователя двухфазного сигнала, который
называется фазоинверсным каскадом или устройством. На рнс. 6.16, а
фазоииверсным устройством является трансформатор Тр1\ он фор-
мирует равные по амплитуде, но противофазные напряжения для
возбуждения двухтактного каскада
Входной трехобмоточиый трансформатор применяется в двух-
тактных каскадах все реже. Более совершенным формирователем
168
двухфазного напряжения является транзисторный каскад с эмиттер-
ной и коллекторной нагрузками, показанный на рис. 6.18. Действие
положительной полуволны сигнала на входе («+» на базе) сопро-
вождается уменьшением тока в эмнттерной и коллекторной цепях
и перераспределеинем напряжений. Напряжения (7ВЫх1 и (/вых2,
взаимно сдвинутые иа 180°, можно подсчитать по формулам
^вых! =	^выхг = 7Э 
Рис. 6.17. Совмещенные стати-
ческие выходные характеристи-
ки, поясняющие принцип рабо-
ты двухтактного каскада.
Рнс. 6 18. Схема фазоинверсио-
го каскада.
Рис. 619. Двухтактный бес-
трансформаторный каскад.
Рис. 6.20. Усилитель постоянно-
го тока мостового типа.
Равенство амплитуд обеспечивается подбором сопротивлений ре-
зисторов. Существуют и другие схемы фазоииверсных каскадов.
Совершенствование технологии полупроводниковых приборов и,
в частности, интегральных микросхем обусловило внедрение в прак-
тику двухтактных бестрансформаторных каскадов с комплементар-
ными транзисторами (р-п-р и п-р-п структур). Схема такого каскада
169
приведена иа рис. 619. Он состоит из транзисторов VI (р-п-р) и
V2 (п-р-п), резисторов Ri, 7?г, разделительных конденсаторов Ct, С2
и накопительного конденсатора Сз; нагрузкой является сопротивле-
ние RB. Резисторы Ri н /?2 обеспечивают начальное смещение тран-
зисторов для уменьшения искажений сигнала. Транзисторы подобра-
ны в пары с идентичными параметрами, они включены по схеме с
ОК, чтобы получить более низкое выходное сопротивление.
Каскад работает следующим образом При положительной полу-
волне входного напряжения открыт транзистор V2, через нагрузку
протекает ток заряда конденсатора С3 по цепи: положительный за-
жим источника £к—транзистор V2— конденсатор—зажим £к При
'(Отрицательной полуволне входного напряжения отпирается транзис-
тор VI, образуется цепь разряда конденсатора С3 и ток по нагрузке
(Течет в обратном направлении. Транзистор V2 в это время закрыт.
(Особенностью каскада в процессе работы является удвоенное кол-
лекторное напряжение на транзисторах. Поэтому напряжение источ-
ника £к должно быть вдвое меньше допустимого значения для дан-
ного типа транзисторов. Существуют и другие схемы бестрансфор-
маторных двухтактных каскадов.
6.7. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Усилителем постоянного тока (УПТ) называется уси-
литель, сохраняющий постоянство коэффициента усиле-
ния при уменьшении частоты входного сигнала вплоть
1до нуля; верхний предел частоты при этом не ограничи-
|Вается и может достигать больших значений. Усилители
постоянного тока широко применяются для усиления
^медленно изменяющихся сигналов от преобразователей
1неэлектрических параметров в электрические, в измери-
тельных приборах, в автоматических системах, в стаби-
лизаторах напряжения и тока и других электронных
устройствах.
Важнейшая проблема УПТ — снижение уровня дрей-
фа нуля, которым называется самопроизвольное измене-
ние выходного напряжения: случайные изменения токов
первого каскада усиливаются последующими каскадами
до значительного сигнала на выходе. Иногда дрейф нуля
УПТ достигает десятков милливольт при закороченном
входе. Причиной дрейфа являются беспорядочные изме-
нения питающих напряжений и эмиттнрующей способ-
ности электродов из-за неравномерного нагрева, взаим-
ных перемещений деталей и других причин.
Усилители постоянного тока подразделяются на УПТ
прямого усиления и с преобразованием сигналов. УПТ
прямого усиления могут быть выполнены из одиночных
каскадов с непосредственной (гальванической) связью
или по балансным (мостовым) схемам.
170
В УПТ с непосредственной связью для
снижения дрейфа нуля используют источники постоянно'
го тока значительной мощности с очень малым коэффи-
циентом пульсаций напряжения, вводят в цепи усили-
тельных каскадов стабилизирующие термозависимые
элементы (терморезисторы, диоды) и обратные связи
различного типа; иногда применяют компенсирующие
элементы с запоминающей способностью. Однако уси-
> лители этой группы, пригодные для конкретных целей,
часто не могут быть использованы для других целей.
Наиболее распространенным типом УПТ являются
балансные (мостовые), в которых УЭ включены парал-
лельно и в совокупности с резисторами образуют плечи
моста. Вариант такого балансного каскада УПТ показан
на рис. 6.20. УПТ состоит из транзисторов VI, V2, коллек-
торных резисторов R'K, R’v резисторов делителя в базо-
вых цепях /?i, R2 и резистора в эмиттерной цепи Ra-
Входная цепь не имеет общей точки с выходной цепью,
„ причем каждый из входных (выходных) зажимов сим-
метричен относительно корпуса. Транзисторы подобраны
в пару с минимальным разбросом параметров, в особен-
ности по неуправляемому обратному току /ко. Резисторы
RK и 7?к вместе с транзисторами образуют плечи моста.
В одну диагональ моста включен источник питания,’а
в другую — нагрузка R„.
Нормальная работа каскада возможна лишь при обеспечении
строгой симметрии элементов схемы. Этому требованию удовлетворя-
ют УПТ, изготовленные по интегральной технологии (см. § 9 6).
В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала U„ произ-
вольные изменения параметров какого-либо элемента в одном плече
(дрейф) сопровождаются примерно такими же изменениями парамет-
ров в другом плече, и между зажимами нагрузки поддерживается
нулевое выходное напряжение t/вых — без дрейфа.
Входное напряжение (Лх распределяется симметрично между со-
противлениями резисторного делителя и в противофазе поступает
на базы транзисторов. Ток коллектора одного из транзисторов воз-
растает, ток другого — уменьшается, мост разбалансируется и в на-
грузке появляется ток
RK + RK +
Выходное напряжение пропорционально входному, а его поляр-
ность совпадает с полярностью входного Резисторный делитель в це-
пи баз и резистор в цепя эмиттеров стабилизируют рабочий режим
каскада. Коэффициент усиления мостового (балансного) каскада
УПТ такой же, как и у одиночного каскада с ОЭ.
171
На практике часто применяются дифференциальные
усилители, которые устроены аналогично мостовым
УПТ. Разница состоит в том, что на оба входа относи-
тельно корпуса подаются два сигнала, разность которых
является входным сигналом усилителя, а выходной сиг-
нал снимается с одного из коллекторов либо в фазе, ли-
бо в противофазе со входным сигналом.
Усилители постоянного тока с преобразованием на-
ряду с мостовыми широко используются на практике.
Их применение оправдано тем, что весьма низкий уро-
вень дрейфа (не более десятков микровольт) достигает-
ся сравнительно простыми способами; чувствительность
Рис. 6.21. Усилитель постоянного тока с преобразованием сигналов
(а) и диаграммы, поясняющие его работу (б).
при этом может быть неограниченно повышена. В УПТ
с преобразованием медленно изменяющийся сигнал пред-
варительно преобразуется в переменный, усиливается
каскадами переменного тока, а затем вновь преобразу-
ется в медленно изменяющийся, но уже усиленный сиг-
нал.
Структурная схема УПТ с .преобразованием
показана на рис. 6.21, а. Он состоит из модулятора М,'
генератора опорной частоты ГОЧ, усилителя и демо-
дулятора ДМ. Процессы, протекающие в нем, показаны
на рис. 6.21,6.
Источником дрейфа нуля в таком усилителе является только мо-
дулятор, который легко сделать стабильным. Преобразование мед-
ленно изменяющегося сигнала в переменный называется модуляцией.
В качестве модуляторов применяются электромеханические вибра-
торы, электронные ключевые каскады, работающие в режиме D нли
просто диодно-трансформаторные модуляторы. Источник медленно
изменяющегося сигнала соединен со входом усилителя посредством
контактов электромеханического вибратора (рис. 6.21, а).
Управление вибратором производится протекающим через его об-
мотку током от ГОЧ, Колебания на выходе модулятора имеют ши-
172
•рокнй спектр частот н состоят из колебаний несущей (илн опорной)
частоты и так называемых боковых частот, содержащих информацию
об усиливаемом сигнале иг (рис. 6 21,6). Поскольку на вход усили-
теля переменного тока поступает сигнал определенной частоты, то
его коэффициент усиления поддерживается стабильным в течение
длительного времени и на уровень дрейфа никак не влияет.
Электромеханические вибраторы обладают малым быстродейст-
вием (порядка 500 Гц), поэтому их применение весьма ограничено.
Транзисторные ключевые каскады обеспечивают переключение на вы-
соких частотах; благодаря этому и другим достоинствам они получи-
ли массовое распространение. В демодуляторе производится восста-
новление низкочастотного усиленного сигнала Основой демодулятора
может быть такой же ключевой элемент, как и в модуляторе, только
большей мощности; его переключение осуществляется с помощью то-
го же генератора опорной частоты.
6.8. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Избирательными называются усилители, которые
обладают способностью усиливать сигналы в определен-
ной (как правило, сравнительно узкой) полосе частот.
Такие усилители широко применяются в радиоприемных
устройствах, в измерительной технике, в автоматических
системах и т. п. Важнейшими параметрами избиратель-
ных усилителей являются коэффициент усиления, средняя
частота, избирательность и др.
Избирательный усилитель состоит из каскадов, име-
ющих в качестве нагрузки резонансные АС7?-контуры,
или из каскадов, охваченных частотно-зависимой обрат-
ной связью. Для сигналов с частотами от нескольких де-
сятков килогерц и выше предпочтительно применение
усилителей с резонансными контурами, для работы на
частотах менее 10 кГц используются усилители с частот-
но-зависимой ОС. В соответствии с этой особенностью
конструкции избирательные усилители иногда подраз-
деляются на резонансные и усилители с 7?С-цепями.
Резонансный усилительный каскад содержит в каче-
стве сопротивления нагрузки параллельный колебатель-
ный контур из катушки и конденсатора. При подключе-
нии контура к источнику питания в нем происходит про-
цесс обмена энергией между магнитным полем катушки
и электрическим полем конденсатора с протеканием то-
ка по замкнутой цепи. Состояние цепи, в которой индук-
тивное сопротивление соо£ равно емкостному сопротив-
лению 1/(»оС, называется резонансным или просто резо-
нансом. В отличие от идеальных, в реальных элементах
часть энергии теряется в виде теплоты на преодоление
173
электрического сопротивления, которым обладают и про-
вод катушки и диэлектрик конденсатора. Оставшаяся
энергия совершает затухающие колебания. Контур ха-
рактеризуется собственной частотой <о0« l/l^LC (кон-
тур без потерь), так называемым характеристическим
сопротивлением р — l^L/C = <o0L = 1/<о0 С и доброт-
ностью Q = plR, где — активное сопротивление потерь.
Незатухающие колебания, происходящие в контуре за счет при-
тока энергии от источника, называются вынужденными. В зависимо-
Рис. 6.22. Схема избирательного
резонансного усилителя (а) и его
амплитудно-частотная характери-
стика (б).
Рис. 6.23. Избирательный уси-
литель с частотно-зависимой
jRC-цепью (двойным Т-образ-
ным мостом).
сти от способа подключения элементов к источнику энергии разли-
чают параллельные и последовательные контуры. В параллельном
контуре при резонансе ток в реактивных ветвях во много раз
(в Q раз) превышает ток в общем проводе; в последовательном кон-
туре при резонансе напряжение иа реактивных элементах в Q раз
превышает входное напряжение. При резонансе сопротивление парал-
лельного контура для внешнего источника — резонансное сопротивле-
ние Rpes — оказывается наибольшим и носит чисто активный харак-
тер, оно во много раз больше активного сопротивления элементов
контура н определяется формулой Rpe3~pQ=RQ2. Если контур слу-
жит нагрузочным сопротивлением каскада, то усиление каскада бу-
дет максимальным при резонансной частоте и уменьшаться по мере
отклонения частоты от резонансной (0. Резонансная частота (о за-
висит от значения индуктивности L и емкости С. В зависимости от
принципа передачи энергии из одной цепи в другую различают конту-
ры первичные и вторичные, а по виду связи между ними — контуры
с трансформаторной,- автотрансформаторной и емкостной связими.
Вариант резонансного избирательного усилителя представлен на
рис. 6.22, а. Он состоит из усилительного каскада (транзисторного,
лампового) и параллельного АС-контура, подключенного к выход-
ному электроду (например, коллектору, стоку, аноду); энергия от
источника Ё поступает на усилительный элемент через контур.
В схеме содержатся также конденсаторы: Ct на входе и Са на вы-
ходе. Входное переменное напряжение различных частот '(спектр час-
тот) цвх поступает на усилитель через конденсатор Са. На выходе
174
наибольшую амплитуду имеет сигнал 1/ВЫх той частоты, иа которую
настроен контур: прн этой частоте резко возрастает его сопротивле-
ние, ток в коллекторной цепи падает, а напряжение иВЫх — повыша-
ется. Практически усиливаются сигналы резонансной и близких к ней
частот. Полоса частот от низшей соп до высшей <ов 2Да>=ыв—Шп
(рис. 6.22,6), на которых коэффициент усиления Ки понижается не
более чем вУ^ = 1,41 раза по сравнению с усилением прн частоте
Крез, называется полосой пропускания. Чем уже полоса пропуска-
ния, тем лучше избирательность, которая зависит от активных по-
терь в контуре и от добротности: (?=р/Л. В резонансных усилителях
наряду с одиночными часто применяются более сложные связанные
контуры.
На низких частотах (менее 10 кГц) резонансные коцтуры в из-
бирательных усилителях применять нецелесообразно, так как индук-
тивная катушка, выполненная из тонкого провода, имеет большое Со-
противление, становится громоздкой и дорогой, добротность конту-
ра— невысокая; кроме того, в катушке наводятся помехи от элек-
тромагнитных устройств. Поэтому на низких частотах применяются
избирательные усилители с RC-цепяни обратной связи. Возможны
различные варианты схем усилителей с 7?С-фильтрами; широкое рас-
пространение получили усилители с двойным Т-образным мостбм
(2Т-мостом).
Принципиальная схема избирательного усилителя, содержащего
в цепи ОС двойной Т-образный мост, показана на рис. 6.23. Два ре-
зистора Ru Rt и конденсатор Сз с общим электродом образуют один
мост, а два конденсатора Ci, С2 н резистор Rt— другой мост; между
собой мосты соединены параллельно. 2Т-мост присоединен к коллек-
тору и базе транзистора (в точках А и Г), что соответствует парал-
лельной ООС по напряжению (см. § 6.5). Резистор служит для
получения падения напряжения в цепи коллектора. Смещение рабо-
чей точки и стабилизация режима работы каскада обеспечиваются
резисторами R, Rit Rt. Конденсаторы С являются разделительными.
Резистор RB совместно с деталями 2Т-моста формирует цепь ООС я,
кроме того, предотвращает перегрузку источника входного сигнала.
Работа каскада заключается в следую-
щем. Входное напряжение ис широкого диапазона ча-
стот поступает на вход каскада.	__________
Для сигнала резонансной частоты ©о=1 V RiRtCiC2
коэффициент передачи цепи ОС (2Т-моста) становится
равным нулю и каскад максимально усиливает эти
сигналы. Чем больше расстройка частоты, тем глубже
ООС и тем меньше коэффициент усиления. Избиратель-
ность усилителя улучшается с увеличением добротности
PC-цепи и коэффициента усиления каскада. В реальных
схемах усилителей часто принимают Pi = P2 = 2P3 и Cj =
= С2=Сз/2 и тогда резонансная частота <оо= l/7?iCi =
«=1//?2С2=1/РзС8.
1?Б
Контрольные вопросы
1.	Как классифицируются электронные усилители? Приведите ос-
новные показатели работы усилителей. В каких случаях коэффици-
ент усиления удобнее выражать не в натуральных, а в логарифмиче-
ских единицах?
2.	Изобразите схему усилительного каскада; поясните назначе-
ние элементов каскада. Объясните механизм усиления колебаний.
3.	Проведите сравнительный анализ усилительных элементов
при их использовании для усиления; отметьте случаи более рацио-
нального применения полупроводниковых и ламповых элементов
4	Назовите основные варианты схем междукаскадиых связей
и объясните их особенности
5.	Охарактеризуйте режимы работы усилительных элементов;
поясните графиками.
6.	Какими соображениями необходимо руководствоваться при
выборе рабочей точки на линии нагрузки?
7.	Выберите напряжение смещения транзисторного усилитель-
ного каскада, работающего в режиме А, прн входном сигнале
= 0,2 sin 3147, В.
8.	Объясните принцип неискаженного усиления сигналов двух-
тактными каскадами, работающими в режиме В.
9.	Дайте определение цепи обратной связи и приведите основные
варианты таких цепей; для каких целей применяют обратные
связи?
10.	В каких случаях необходимы фазоинверсные каскады? При-
ведите схему одного из них
11.	Объясните практическое значение амплитудно- и фазо-частот-
ной характеристик; от каких факторов они зависят?
12.	Приведите примеры наиболее целесообразного применения
отдельных типов усилителей постоянного тока
13.	В чем состоят особенности избирательных усилителей? На-
зовите области применения таких усилителей
14.	Какие требования предъявляются к источникам энергии для
усилителей?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В данной главе рассматривается устройство элект-
ронных генераторов, вольтметров, частотомеров, фазо-
метров и осциллографов, приводятся краткие сведения
о принципах их работы.
Электронным генератором называется устройство,
преобразующее энергию постоянного тока в периодичес-
176
кие электрические колебания требуемой мощности, час-
тоты и формы. Генераторы применяются в технологи-
ческом оборудовании для нагревания, сушки и хими-
ческой обработки изделий, в бытовых приборах, в
медицинской технике. Генераторы являются составной
частью многих измерительных приборов и важнейшими
блоками автоматических систем. В радиотехнике и те-
Рис 7.1. Структурная схема элек-
тронного генератора.
ИЭ — источник энергии. УЭ — усили-
тель, ПОС — цепь положительной об-
ратной связи; ООС — цепь отрицатель-
ной обратной связи; ФК — формирова-
тель колебаний (LC-контур или фази-
рующая АС-цепь).
левидении генераторы используются для передачи ин-
формации на большие расстояния.
Генераторы классифицируют по форме колебаний (синусоидаль-
ные, прямоугольные, пилообразные и др.), по частоте (низкая, вы-
сокая, сверхвысокая), по типу цепей возбуждения колебаний и по
другим отличительным признакам. Генераторы оценивают с по-
мощью таких характеристик, как 1) диапазон генерируемых частот;
2) точность установки частоты н поддержания ее во время работы;
3) степень искажения формы колебаний и изменения амплитуды
выходного напряжения; 4) зависимость параметров выходного сиг-
нала от внешней нагрузки и т. д.
По способу получения колебаний генераторы подразделяют на
две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с
самовозбуждением. Генератором с внешним возбуждением является
усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сиг-
налы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением со-
держат, формирователи колебаний; такие генераторы часто называ-
ют автогенераторами •
Генератор является замкнутой системой (рис. 7.1),
состоящей из источника энергии ИЭ, усилительного
элемента УЭ, формирователя колебаний ФК, цепей по-
ложительной обратной связи ПОС и отрицательной об-
ратной связи ООС. Источником энергии служит ста-
билизированный выпрямитель постоянного тока или
батарея химических элементов. В качестве УЭ исполь-
зуются транзисторы, электронные лампы и другие не-
линейные элементы. Формирователями колебаний (ав-
тогенераторами) являются УЭ в сочетании с резонан-
сными LC-контурами или фазирующими 7?С-цепями.
Цепь ПОС обеспечивает автоколебательный режим в
12—107	177
цепи генератора; цепь 00С стабилизирует параметры
УЭ и улучшает их характеристики.
Принцип работы автогенератора основан на автоматичес-
ком пополнении энергии, которую затрачивает формирователь коле-
баний. Генерация колебаний возникает и поддерживается при соб-
людении условий. 1) произведение коэффициента усиления на коэф-
фициент обратной связи должно быть равным единице, те К0 = 1;
2) фаза колебания на выходе цепи ОС должна совпадать с фазой
колебания на входе усилительного элемента, суммарный сдвиг фа-
зы, создаваемый усилителем н цепью ОС, равен нулю, т. е. <руэ-|-
+Фос = 0- Первое условие называется балансом амплитуд-, если
оно не соблюдается, то колебания будут либо затухать н прекратят-
ся (при 1), либо их амплитуда будет возрастать (при Кр> 1),
пока рост не прекратится вследствие нелинейности усилительного
элемента Второе условие называется балансом фаз-, оно означает,
что колебания возникают при вполне определенной частоте, при ко-
торой наблюдается совпадение фаз При большом фазовом сдвиге
колебания и совсем прекратятся: выходное колебание будет гасить
входное. При соблюдении обоих условий колебания плавно или рез-
ко возникают и автоматически поддерживаются с заданным разма-
хом.
7.Х ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Имеется много разновидностей схем генераторов си-
нусоидальных колебаний. Генераторы для частот от не-
скольких десятков килогерц и выше содержат LC-koh-
туры, а генераторы для низких частот, как правило,
7?С-фильтры. В генераторах с LC-контурами исполь-
зуются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой
добротностью. Автогенератор — формирователь ко-
лебаний— представляет собой один или несколько уси-
лительных каскадов с цепями положительной частотно-
зависимой обратной связи; схемы обратной связи содер-
жат колебательные цепи. Возможны различные вариан-
ты включения колебательной цепи относительно электро-
дов УЭ: только на входе, только иа выходе или одновре-
менно в нескольких участках схемы. По способам сое-
динения LC -элементов с электродами усилительных
элементов различают трансформаторную связь и так
называемую трехточечную связь — индуктивную или
емкостную.
Автогенератор с трансформаторной связью показан
на рис. 7.2.
Колебательный контур, состоящий из катушки LK и
конденсатора С, является коллекторной нагрузкой тран-
зистора VI, Индуктивная связь между выходом и вхо-
178
дом усилителя обеспечивается катушкой Ls, присоеди-
ненной к базе транзистора. Элементы /?ь R2, Кэ> Сэ
предназначены для обеспечения необходимого режима
работы по постоянному току и его термостабилизации.
Благодаря конденсатору Ct, обладающему малым со-
противлением на частоте генерации, создается цепь
для переменной составляющей
эмиттером транзистора. Точ-
ками обозначены начала об-
моток Ls и Lk, поскольку
необходимо соблюсти усло-
вие баланса фаз.
Рнс. 7 2 Автогенератор-формиро-
ватель синусоидальных колебаний
с трансформаторной связью.
тбка между базой и
Рис 7 3 Формирователи сину-
соидальных колебаний на осно-
ве колебательного контура, со-
бранного по трехточечной ин-
дуктивной (а) или емкостной
(б) схеме
Работа автогенератора начинается при включении ис-
точника £к. Начальный импульс тока возбуждает в контуре L^C
колебания с частотой <»0 = 1 /)/"LK С , которые могли бы прекра-
титься из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении ка-
тушки и конденсатора. Но поскольку между катушками £Б и
имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в
базовой цепи возникнет переменный ток /Б = U совпадающий
по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспе-
чивается рациональным включением концов обмотки ЛБ). Усилен-
ные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и раз-
мах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.
Увеличение амплитуды колебаний объясняется превышением коли-
чества поступающей энергии над теряемой, а последующее установ-
ление определенного (неизменного) размаха колебаний Обусловлено
уменьшением коэффициента усиления каскада вследствие перерас-
12*
179
пределения значений коэффициента усиления и коэффициента поло-
жительной обратной связи и установления динамического равнове-
сия между притоком энергии и ее потерями при данной амплитуде
колебаний
Условие баланса амплитуд состоит в том, что поте-
ри в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за
счет источника питания. Условие баланса фаз соблю-
дается, если приток энергии совершается синхронно с
изменением знака напряжения на контуре; например,
в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ,
фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвину-
ты на 180° С. Поэтому концы катушки Ав надо подклю-
чить так, чтобы входные и выходные колебания совпа-
дали по фазе.
Регулирование частоты генерируемого напряжения производится
изменением емкости С или индуктивности LK, регулирование может
быть ступенчатым, если вместо одного конденсатора (катушки) под-
ключить другой, или плавным, если плавно изменять параметр од-
ного и того же элемента. Резистор Ra и конденсатор Сэ обеспе-
чивают стабилизацию рабочей точки характеристики транзистора.
На практике очень часто применяются трехточечные автогенера-
торы с автотрансформаторной (индуктивной) и емкостной связью.
Автогенератор с автотрансформаторной связью пока-
зан на рис. 7.3, а. Колебательный контур, состоящий
из секционированной катушки LK и конденсатора С,
является нагрузкой транзистора VI. Катушка LK разде-
лена на две части: один вывод ее присоединен к кол-
лектору, второй — к базе транзистора; энергия подво-
дится к одному из средних витков этой катушки. Такое
включение обеспечивает выполнение баланса фаз и от-
личается большой простотой и надежностью. Режим
работы транзистора по постоянному току и его термо-
стабилизация осуществляются за счет таких же эле-
ментов, как и в схеме трансформаторного генератора
(см. рис. 7.2). Емкостная трехточечная схемка (рис. 7.3, б)
содержит в емкостной ветви колебательного контура
два конденсатора, Ск и Ск, средняя точка между кото-
рыми соединена с эмиттером транзистора VI. Колеба-
тельный контур включен последовательно между ис-
точником энергии и УЭ. Напряжения на конденсаторах
Ск и Ск имеют противоположную полярность относи-
тельно общей точки, благодаря чему обеспечивается
выполнение условия баланса фаз. Баланс амплитуд в
автотрансформаторной и емкостной трехточечиых
схемах соблюдается при определенном соотношении ко-
180
эффициента усиления К и коэффициента обратной свя-
зи 0: Я0>1. Это достигается регулировкой индуктив-
ностей L\ и Lz в схеме рис. 7.3, а и емкостей С'к и С’к в
схеме рис. 7.3,6. Искажения формы генерируемых ко-
лебаний могут возникнуть из-за низкой добротности
контуров и при большом‘коэффициенте обратной связи
0. Для уменьшения искажений применяют контуры с
добротностью не менее нескольких десятков единиц;
Рис. 7.4. Автогенераторы синусоидальных колебаний с цепью из Г-
образных АС-звеньев (а) и мостового типа (б).
кроме того, повышают глубину отрицательной обратной
связи путем увеличения сопротивления в цепи эмиттера
/?э (при одновременном обрыве ветви цепи с Сэ).
RC-автогенераторы используются для генерирования
колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей
герца до нескольких десятков килогерц); /?С-генерато-
ры могут вырабатывать колебания и более высоких
частот, одиако низкочастотные колебания отличаются
более высокой стабильностью.
/?С-автогенератор состоит из усилителя (одно- или
многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной
связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лест-
ничных» илн мостовых RC-схем. RC-автогенератор с
многозвенной RC-цепью обратной связи показан на
рис. 7.4, о. Три последовательно соединенных фазиру-
ющих звена RiCi—R3C3, включенных между выходом
и входом усилительного каскада, образуют цепь поло-
жительной обратной связи с фильтрующими свойства-
ми. Она поддерживает колебательный процесс только
на одной определенной частоте; без ЯС-элементов од-
нокаскадный усилитель имел бы отрицательную обрат-
ную связь по напряжению. Условие баланса фаз прояв-
181
ляется в том, что каждое из /?С-звеньев поворачивает
фазу сигнала на угол 6=»60°, а суммарный угол сдвига
равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется
путем выбора соответствующего коэффициента уси-
ления каскада.
В реальных генераторах используют элементы с одинаковыми
параметрами: Rt — R2 = Я3 = R, Ct = С2 = С3 = С; частота генера-
ции для этого случая подсчитывается по формуле fflo= 1/ RC.
Чтобы колебательный процесс был устойчивым, а генерируемое на-
пряжение не имело искажений, необходимо правильно подобрать
коэффициент усиления каскада К; для рассматриваемой схемы
К >29. Числа 1^6 и 29 появляются в результате решения системы
уравнений, связывающих токи и напряжения в цепях каскада в ре-
жиме генерации. Решение можно выполнить, например, методом кон-
турных токов.
Делитель напряжения Rs, Rt совместно с элементами Ra и С э
обеспечивают оптимальный режим работы каскада по постоянному
току. Регулирование частоты колебаний в широком диапазоне (от
долей герца до нескольких килогерц) производится одновременным
переключением конденсаторов илн резисторов или плавным измене-
нием их параметров.
Автогенератор с RC-фильтром мостового типа
приведен на рис. 7.4,6. Два плеча моста — звенья RiCi
и R2C2 — подключены к неинвертирующему входу уси-
лителя 2 (цифра внутри треугольника означает число
каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инверти-
рующему входу того же усилителя присоединена
другая диагональ, составленная из нелинейных элемен-
тов /?3 и г, которая создает цепь ООС. В данной схеме
мост обладает избирательным свойством и условие
баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на ко-
торой выходной сигнал моста совпадает по фазе со
входным).
При условии Rt = Ri = R и Ct = С2 = С частота генерации под-
считывается по формуле Шо — l/(.RC). На этой частоте = 1/3. По
сравнению с другими схемами ЯС-генераторов мостовой генератор
требует наименьшего коэффициента усиления (К я 8). Обычно уси-
лительный элемент обладает коэффициентом усиления /03; в та-
ких случаях применяют глубокую отрицательную обратную связь,
с помощью которой улучшаются параметры генерируемых колеба-
ний.
Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна,
причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществля-
ют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей
обоих конденсаторов моста. Существуют и другие схемы ЯС-авто-
генераторов.
Общий недостаток всех генераторов — чувствительность генери-
руемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, к
182
старению элементов и т. д. Устраняется этот недостаток введением в
схему термостабилнзнрующнх и других корректирующих элементов.
7.3.	ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Во многих электронных устройствах (в измеритель-
ных приборах, в блоках ЭВМ, в автоматических сис-
темах и т. д.) используется импульсный режим работы.
Рис. 7 6. Реальная форма пря-
моугольного импульса и обо-
значение его параметров.
Рис. 7.5. Формы наиболее рас-
пространенных видеоимпульсов
(а — прямоугольный, в — пило-
образный, г — трапецеидаль-
ный, д — колоколообразный) и
радиоимпульсов (б — прямо-
угольный и колоколообразный).
Токи и напряжения, действующие в цепях, имеют вид
импульсов различной формы и длительности, разделен-
ных между собой промежутками времени. В маломощ-
ных устройствах при помощи импульсов передается,
обрабатывается и хранится информация; в мощных
устройствах импульсами производится энергетическое
воздействие на различные процессы (импульсное управ-
ление электроприводами, ультразвуковая обработка
материалов, создание сильных магнитных полей и т. д.).
Импульсом называется кратковременный электри-
ческий сигнал, длительность которого соизмерима с
183
длительностью переходного режима цепи, на которую
этот импульс воздействует. Импульсы подразделяются
на видео- и радиоимпульсы; видеоимпульсы не запол-
нены высокочастотными колебаниями в отличие от
радиоимпульсов, которые представляют собой пакеты
высокочастотных колебаний в пределах некоторой оги-
бающей Формы широко распространенных радио- и
видеоимпульсов (в дальнейшем — просто импульсов)
показаны на рис. 7.5.
Особенно часто встречаются прямоугольные импульсы, реаль-
ная форма которых приведена на рис. 7 6. По вертикальной оси
откладываются значения высоты импульса А (тока, напряжения) с
неравномерностью (завалом) вершины ДА. На горизонтальной оси
нанесена длительность импульса обычно измеряемая на уровне
0,1 А. Передняя часть импульса, называемая фронтом, определяется
длительностью (временем) /ф нарастания импульса от 0,1 до 0,9 его
высоты. Задняя часть импульса — срез, спад tc—определяется вре-
менем убывания в тех же пределах.
Часто импульсы заканчиваются выбросом в отрицательной об-
ласти (хвостом) со временем затухания tx. Обычно импульсы сле-
дует периодически с периодом Т или частотой повторения F=~i/T.
Отношение периода Т к длительности импульсов /в называется
скважностью Q = Т/tx, а обратная величина у = 1/Q = tu/T — коэф-
фициентом заполнения.
Непрерывные последовательности импульсов или отдельные им-
пульсы получают с помощью автогенераторов или генераторов с
внешним запуском. Прямоугольные импульсы вырабатываются
мультивибраторами, блокииг-генераторами и другими устройствами.
Мультивибраторы применяются для генерирования
импульсов напряжения (тока) прямоугольной формы.
Усилительными элементами для мультивибраторов слу-
жат транзисторы (биполярные и полевые), интеграль-
ные микросхемы, электронные лампы, динисторы и
другие приборы.
Типичная схема транзисторного мультивибратора
приведена на рис. 7.7, а. Он выполнен в виде двухкаскад-
ного усилителя с перекрестной положительной обратной
связью, элементами которой являются конденсаторы
Ci и С2: один из них Ci соединяет коллектор транзис-
тора VI с базой транзистора V2, второй С2 включен
между выходом (коллектором) транзистора V2 и базой
транзистора VI. Оба транзистора смещены отрица-
тельным напряжением, подведенным к базам через резис-
торы Т?2, Ra- Если транзисторы подобраны в пару с
идентичными параметрами и соблюдаются условия
7?2=^3=7?б, С1 = С2=С, то мультивибра-
тор называется симметричным. Мультивибраторы мо-
184
гут быть настроены для работы в одном из трех режи-
мов: автоколебательном, ждущем и режиме синхрони-
зации.
В автоколебательном режиме мультивибратор воз-
буждается и генерирует прямоугольные импульсы сразу
же после включения источника энергии. Процесс воз-
буждения и генерирования импульсов поясняется гра-
фиками на рис. 7.7, б. В момент включения источника
питания (t=t0) один из транзисторов (с более отри-
цательным потенциалом на базе), допустим VI, оказы-
вается насыщенным, а второй V2 запертым, так как пол-
ная симметрия практически недостижима. С этого
момента конденсаторы также приобретают заряды, по-
лярность которых показана на рисунке. Мультивибра-
тор остается в этом состоянии, пока не уменьшится на-
пряжение между обкладками конденсатора Ci до нап-
ряжения отпирания транзистора V2. Его разряд проис-
ходит преимущественно через резисторы R3, источ-
ник питания и переходы открытого транзистора VI.
Напряжение между обкладками (и на базе — график
«Б2) убывает по экспоненте, и когда потенциал базы
185
V2 станет равным напряжению отпирания, происходит
переброс мультивибратора: транзистор V2 отпирается,
а VI запирается. Процесс переключения происходит
лавинообразно, поскольку изменения напряжения на
коллекторе V2 передаются через емкость Сг на базу
транзистора VI и ускоряют его запирание.
Напряжения между обкладками конденсаторов не
могут резко измениться, так как для этого требуется
время, определяемое постоянными времени заряда
i3=RkC и разряда тр = 7?бС. Поэтому после опрокидыва-
ния мультивибратор остается в таком состоянии, пока
снова не откроется запертый транзистор VI в резуль-
тате уменьшения напряжения на конденсаторе Сг- Та-
ким образом происходит непрерывная генерация им-
пульсов,,
В симметричном мультивибраторе время заряда конденсатора
меньше времени разряда, так как <^/?Б . Графики напряжений
ня коллекторах транзисторов «К1 н «ка имеют форму импульсов,
близкую к прямоугольной; высота импульсов примерно равна на-
пряжению источника питания Е. Скругление фронтов выходных им-
пульсов объясняется падением напряжения за счет тока зарядки
конденсаторов. Более крутые участки кривых нщ н «са (рнс. 7.7, б)
означают, что заряд происходит быстрее разряда. Длительность им-
пульса определяется временем разряда конденсатора ta по формуле
экспоненты
иС = £к = Ек ехр (— у/?Б С),
описывающей изменение напряжения разряда конденсатора от на-
чального значения «Снач = до порогового напряжения на базе
«саор^О, пр и., котором срабатывает транзистор /и = 7?БС1п2«
»0,7/?БС.
Длительность периода Т следования импульсов равна сумме
длительностей импульсов в обоих плечах симметричного мультивиб-
ратора
Регулировка длительности импульсов достигается плавным или
ступенчатым изменением значений Т?Б или С, т. е. постоянной вре-
мени разряда. Частота колебаний мультивибратора может быть
приближенно подсчитана по формуле F=l/T.
Одним из недостатков мультивибраторов, собранных по схеме
рис. 7.7, а, считается малая крутизна фронта импульсов, обусловлен-
ная зарядом емкости через резистор Другим недостатком счи-
тается невозможность получения напряжения с большой скваж-
ностью; например, для транзисторных мультивибраторов с коэффици-
ентом усиления тока 204-40 (в схеме с ОЭ) можно получить
скважность Q = l + p/4. Существует много схем мультивибраторов
с улучшенными параметрами.
186
Ждущий мультивибратор, называемый еще одновиб-
ратором, предназначен для формирования прямоуголь-
ных импульсов под воздействием внешнего (запускаю-
щего) напряжения. Кроме того, с помощью одновибра-
тора можно задерживать импульс на заданное время.
Схема ждущего мультивибратора отличается от обыч-
ного тем, что один из конденсаторов, например С2, в
схеме на рис. 7.7, а заменен резистором-, а также сделан
вывод базы на внешний вывод (ивх на рис. 7.7,а). Од-
новибратор самостоятельно не возбуждается и при
отсутствии входного сигнала находится в состоянии
устойчивого равновесия, когда один транзистор открыт,
а другой закрыт. Подача на вход внешнего импульса
опрокидывает одновибратор; по прошествии времени,
необходимого на разряд конденсатора Ci, одновибратор,
возвращаясь в исходное состояние, выдает импульс
прямоугольной формы. Новый запускающий импульс
можно подавать через время, необходимое для восста-
новления одновибратора, т. е. для зарядки конденсатора.
В режиме синхронизации на автоколебательный
мультивибратор подается внешнее синхронизирующее
напряжение. При этом мультивибратор будет перехо-
дить из одного состояния в другое не под влиянием
собственных параметров, а под воздействием внешнего
синхронизирующего напряжения. Для устойчивой син-
хронизации период повторения импульсов должен быть
несколько меньше периода собственных колебаний. Син-
хронизация необходима для согласования одновременной
работы нескольких импульсных устройств, для деления
частоты сигналов н т. д.
7.4.	ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Пилообразным называется напряжение (ток), кото-
рое на рабочем участке сравнительно медленно нарас-
тает (или спадает) практически по линейному закону,
а затем быстро возвращается к исходному уровню.
Пилообразное напряжение характеризуется (рис. 7.8, а)
длительностью рабочего (прямого) tp и обратного t0 хо-
дов, длительностью паузы периодом повторения Т,
максимальным значением напряжения (амплитудой)
импульсов Um, коэффициентом нелинейности е и коэф-
фициентом использования напряжения источника пи-
тания £. В реальных генераторах пилообразного нап-
ряжения (ГПН) период Т изменяется от десятых долей
187
микросекунды до десятков секунд, высота импульсов
ит — от единиц до тысяч вольт, ^^0,54-2% tv. На
рабочем участке пилообразное напряжение должно из-
меняться по линейному закону, т. е. с постоянной ско-
ростью (пунктирная линия иа рис. 7.8, а). Однако на
практике это требование трудно достижимо, и стре-
мятся получить напряжение с коэффициентом нелиней-
ности 8^0,2-5-10%. Он характеризует относительное
изменение скорости dujdt на рабочем участке.
Рис. 7.8. Пилообразное напряжение (а) и схема простейшего устрой-
ства для его получения (б).
Генераторы пилообразного напряжения широко используются
для отклонения электронного луча в осциллографах, в телевизион-
ных приемниках, для сравнения напряжений в устройствах сравне-
ния, в преобразователях информации и т. д. Они подразделяются
по нескольким классификационным признакам: по режимам рабо-
ты — иа ГПН с посторонним возбудителем и ГПН с самовозбужде-
нием; по способу обеспечения линейности напряжения — иа ГПН
без спрямления напряжения (простейшие), с токостабилизирующим
элементом, компенсационного типа и т. д. Важным признаком ГПН
считается метод получения и использования пилообразного напря-
жения на рабочем участке—нарастающего или падающего типа.
На практике получение пилообразного напряжения
основано на зарядке или разрядке конденсатора. При
невысоких требованиях к линейности напряжения, с
погрешностью 8^15%, используются простейшие ре-
зисторно-емкостные цепи, в которых напряжение (ток)
изменяется по экспоненциальному закону: при зарядке
(нарастающее) uc=E(l—) =£[1— exp (—t/x)] и
при разряде (падающее) Wc=t/me~//T=C/mexp(—tlx),
где x=RC — постоянная времени. Вариант такого гене-
ратора с посторонним возбуждением приведен на
рис. 7.8, б. Он состоит из последовательно соединенных
резистора R и конденсатора С. Выводы этой цепи
подключены к стабилизированному источнику постоян-
188
#юго тока. Коммутация конденсатора для зарядки и
разряда производится ключом К. При разомкнутом
ключе К конденсатор заряжается и на выходе возникает
экспоненциально нарастающее напряжение «вых, форма
которого показана на рис. 7.8, а. При замыкании К
конденсатор быстро разряжается, а выходное напряже-
ние быстро стремится к нулю. Непрерывная последова-
тельность импульсов пилообразной формы генерируется
при периодическом размыкании и замыкании ключа К.
В конструкциях многих ГПН конденсатор является обязатель-
ным элементом, как накопитель энергии. Роль ключевого элемента
выполняют транзисторы, интегральные микросхемы, электронные
лампы и другие усилительные и нелинейные элементы. В простейших
ГПН усилительный элемент работает в ключевом режиме D; кон-
денсатор присоединяется параллельно выходным электродам, напри-
мер, к коллектору и эммнтеру нлн последовательно с усилительным
элементом н источником питания. Входные прямоугольные импуль-
сы периодически отпирают н запирают усилительный элемент, кон-
денсатор то заряжается, то разряжается, и иа выходе возникает
пилообразное напряжение. Простейшие ГПН обладают таким су-
щественным недостатком, как неконтролируемость тока ic, изменяю-
щегося прн протеканнн через конденсатор на различных этапах за-
рядки или разряда; следствием этого и является нелинейность пило-
образного напряжения иа выходе ГПН; коэффициент нелинейности
можно подсчитать по формуле
U Стах ^Сдоп
е =-------------,
U Стах
где Uc та* и Uc доп — максимально и минимально допустимые зна-
чения напряжения (или тока) на рабочем участке.
С помощью коэффициента использования напряжения можно оп-
ределить участок, иа котором экспонента более похожа на прямую
линию; обычно 104-80%
Разработано много схем ГПН, в которых автоматически под-
держивается постоянство тока ic иа рабочем участке (нарастающего
нлн спадающего) пилообразного напряжения Повышение линейности
напряжения достигается введением в конструкцию ГПН токостабилн-
зирующих или компенсирующих элементов с использованием цепей
отрицательной обратной связи.
Схема ГПН с токостабилизирующим
транзистором показана на рис. 7.9. Транзистор
VI является ключевые элементом, а транзистор V2 —
токостабилизирующим. Конденсатор С, разряд которого
используется для получения пилообразного напряже-
ния, включен в эмиттерную цепь транзистора VI. Вход-
ные прямоугольные импульсы мвх поступают на базу
первого транзистора, а пилообразное напряжение «вых
снимается с коллектора второго транзистора.
189
Принцип работы. В исходном состоянии тран-
зистор VI открыт и конденсатор С заряжается до напря-
жения Ек. Транзистор V2 подготовлен для работы в ак-
тивном (усилительном) режиме. Для этого на его базу
через резисторный делитель R3R4 подано напряжение,
смещающее рабочую точку примерно на середину ли-
нии нагрузки (см. § 3.4). Транзистор V2 выполняет
функцию автоматически регулируемого резистора,
Рис. 7 9. Геиератор-формнрователь пилообразного напряжения с
улучшенными параметрами (а) и графики, поясняющие его работу
(б).
включенного параллельно с рабочим конденсатором С
в цепь эмиттера транзистора VI. Процесс формирования
пилообразного напряжения показан на рис. 7.9,6.
При подаче на вход положительного прямоугольного
импульса мвх транзистор VI запирается; конденсатор С
становится источником коллекторного напряжения Ее
транзистора V2 и начинается его разряд через сопротив-
ление эмиттерного и коллекторного переходов; напря-
жение на нем уменьшается, однако коллекторный ток
изменяется мало вследствие незначительного наклона
выходных характеристик транзистора, включенного по
схеме с ОБ. Стабилизации тока ic способствует также
отрицательная обратная связь по току, осуществляе-
мая при помощи резистора Rq. Таким образом, ток раз-
ряда конденсатора ic поддерживается постоянным в
заданных пределах линейности.
Параметры элементов ГПН должны быть подобра-
ны так, чтобы заряд осуществлялся быстро (i0), а раз-
ряд— рабочий участок пилообразного напряжения ip —
медленно. Для сокращения времени зарядки i0 резистор
Т?2 имеет достаточно малое сопротивление около
0,3—0,6 кОм. Поскольку генератор работает от внеш-
199
них запускающих импульсов, его рабочий ход должен
закончиться до прихода очередного импульса. Связь
между длительностью рабочего участка tp и параметра-
ми ГПН определяется по формуле
*Р = с(^- + яЛ
\ Ек /
а коэффициент использования напряжения — по форму-
ле
t _ ^вых  j___*К Ес
Ек	Ек
После окончания управляющего импульса ыВх тран-
зистор VI открывается и переходит в режим насыщения,
конденсатор заряжается через насыщенный тран-
зистор и резистор за время обратного хода,
длительность которого равна to^SRzC. При высоко-
омной нагрузке ГПН обеспечивает в<0,5%, большой
коэффициент использования напряжения (g«0,9),
широкий диапазон tp (от единиц до нескольких тысяч
микросекунд), небольшое время t0.
7.S.	ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ (СТРЕЛОЧНЫЕ) ПРИБОРЫ
Измерительные приборы, сочетающие усилительно-
преобразовательные узлы с электромеханическим стре-
лочным индикатором (измерителем), относятся к груп-
пе электронных аналоговых (стрелочных) измеритель-
ных приборов. В эту группу приборов входят вольтмет-
ры постоянного и переменного тока, частотомеры,
фазометры, приборы для измерения электрических пара-
метров (R, L и С), универсальные и другие приборы.
Электронные измерительные приборы в отличие от
электромеханических обладают высокой чувствитель-
ностью и малым потреблением энергии из цепи, в кото-
рой производят измерение; их используют в технике
экспериментальных исследований в широком диапазоне
частот — практически от нуля до сотен мегагерц.
Электронные аналоговые вольтметры подразделя-
ются на вольтметры постоянного и переменного тока,
импульсные вольтметры и универсальные вольтампером-
метры. Их классифицируют по видам усилительных
элементов, которые использованы в приборе (ламповые,
191
полупроводниковые), по частотному диапазону (низко-
частотные, высокочастотные), по классам точности
(0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и т. д.) и по другим признакам.
Электронные вольтметры применяются для измерения
напряжений в маломощных цепях, содержащих, напри-
мер, термопары, фотоэлементы или другие преобразо-
ватели и устройства с большим внутренним сопротив-
лением. При измерениях должно соблюдаться условие
Гвх>гв, т. е. входное сопротивление измерительного
прибора значительно превышает сопротивление участ-
ка, к которому подключен вольтметр. В противном слу-
чае измерительная цепь будет перегружена, а резуль-
тат измерения — неверным.
Напряжение постоянного тока характеризуется его
значением и полярностью. На практике широко .исполь-
зуют переменное периодически повторяющееся по фор-
ме напряжение и (t), которое характеризуется формой
колебаний и частотой. Оно может выражаться в виде
максимального (амплитудного) Um, среднеквадрати-
ческого (действующего) (7СК и средневыпрямленного
t/св напряжений. Вцльтметры предназначены для измере-
ния каждого из этих напряжений, и соответственно отгра-
дуированы их шкалы. В случае напряжения синусои-
дальной формы имеют место соотношения:
^ = ^//2-;^в = 2С7т/л;	=	(7.1)
где Да — коэффициент амплитуды, равный отношению
максимального значения напряжения к среднеквадра-
тнческому напряжению.
Параметры периодического несинусоидального нап-
ряжения определяются по формулам:
/ т	т
^ск = 1/ у £/cb = y-J|«(0H;
то	о
Ка = ит/ивк.
Импульсное напряжение характеризуется основными
параметрами: длительностью t«, высотой импульса
периодом Т и скважностью Q = T)ta.
Простейшие электронные вольтметры, постоянного тока содер-
жат в своей конструкции минимальный набор функциональных уз-
лов и ие имеют собственного источника питания; такие вольтметры
изготовляются, как правило, невысокого класса точности, многопре-
192
дельными, 'пригодными для измерении постоянных и переменных
напряжений н цепях со значительной мощностью. Электронные ана-
логовые вольтметры более сложной конструкции предназначены для
измерения постоянного напряжения от нескольких микровольт до
нескольких сотен вольт и применяются очень часто.
Структурная схема одного из серийных вольтметров
В2-15 приведена на рис. 7.10.> Условными знаками на ней обозначены
входной экранированный кабель /, делитель напряжения 2, преобра-
зователь постоянного напряжения в переменное (модулятор) 3, уси-
литель переменного тока 4, синхронизированный преобразователь
переменного напряжения в постоянное (демодулятор) 5, усилитель-
Рис. 7.10. Структурная схема электронного аналогового вольтметра
постоянного тока типа В2-15.
повторитель (эмиттерный) 6, экранированный проводник и зажим
выходного постоянного напряжения 7, стрелочный индикатор (мик-
роамперметр) 8, делитель' напряжения отрицательной обратной свя-
зи 9 и генератор прямоугольных импульсов 10.
Входной кабель и проводник выходного напряжения заключены
в экранную оболочку для того, чтобы предохранить их от воздейст-
вия внешних электромагнитных полей, которые могли бы иавести
посторонние ЭДС, уровень которых часто соизмерим с измеряемым
сигналом или даже больше него. Делитель напряжения 2 представ-
ляет собой цепь последовательно соединенных двух или более пре-
цизионных резисторов, один нз которых может быть переменным;
делители предназначаются для ступенчато регулируемого ослабления
напряжения прн изменении диапазона измерения вольтметра. Сум-
марное сопротивление делителя должно превышать выходное сопро-
тивление предыдущего устройства или каскада. Кабель, входные
зажимы, делитель напряжения и другие элементы, не показанные
на рисунке, образуют входное устройство.
УПТ с преобразованием применяется для обеспечения более вы-
сокого коэффициента усиления и, следовательно, повышенной чувст-
вительности и малого дрейфа нуля. УПТ собран на транзисторах;
в других вольтметрах использованы микросхемы и электронные лам-
пы. УПТ охвачен глубокой ООС, цепь которой соединяет выход уси-
лители и среднюю точку вторичной обмотки трансформатора, входя-
щего в состав модулятора (на рисунке не показан). В цепи ОС име-
ется регулируемый делитель напряжения. В качестве стрелочного
индикатора применяется, как правило, магнитоэлектрический микро-
амперметр с пределами измерения 0—100 мкА.
Милливольтметр В2-15 имеет: диапазон измеряемых
напряжений 5-10_‘—Ы0* мВ с переключением 16 пределов, основ-
13—107 103
ная погрешность ±2,5%; дрейф нуля около 1 мкВ за 8 ч работы;
входное сопротивление не менее 0,3 МОм; питание от сети 220 В,
50 Гц, 45 В-А; габаритные размеры 410 X305 X 245 мм; масса 16 кг.
Вольтметры переменного тока предназначаются для
измерения напряжений синусоидальной (или искажен-
ной синусоидальной) формы. Благодаря широким преде-
лам измерения (от единиц микровольта до сотен вольт
в диапазоне частот от 5 Гц до. 1 ГГц), высокому входно-
Рнс. 7.11. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного
тока с предварительным преобразованием сигналов (а) н с предва-
рительным усилением сигналов (б).
му сопротивлению и сравнительно небольшим размерам
и массе они широко применяются в различных сферах
техники и науки. Промышленность выпускает электрон-
ные вольтметры для измерения как среднеквадратиче-
ских (действующих), средневыпрямленных, так и пико-
вых (амплитудных) напряжений. Вольтметры перемен-
ного тока строятся по принципу преобразования изме-
ряемого переменного напряжения в пропорциональное
постоянное, которое отсчитывается по стрелочному ин-
дикатору. В вольтметрах амплитудного и средневыпрям-
ленных значений установлены детекторы, выполненные
из полупроводниковых или ламповых диодов; в вольт-
метрах среднеквадратических напряжений применяются
в основном детекторы из термопреобразователей.
Большое разнообразие принципиальных схем вольтметров пере-
менного тока сводится в основном к двум структурным схемам.
В схеме рис. 7.11, а после входного устройства 1 включен детектор 2,
затем УПТ 3 и стрелочный индикатор 4; в схеме рис. 7.11,6 сигнал
с выходного устройства 1 поступает сначала на усилитель перемен-
ного тока 2, затем на детектор 3 н измерительный указатель 4.
Вольтметры с детекторами на входе имеют широкий диапазон частот
(до 1 ГГц). Их недостатком является сравнительно низкая чувстви-
тельность (более 0,5 В), так как прн малых напряжениях резко
уменьшается коэффициент выпрямления детектора. Вольтметры с
предварительным усилением (рнс. 7.11,6) характеризуются более уз-
ким диапазоном частот (до 30 МГц), ограниченным полосой про-
пускания усилителя. Нижний предел измеряемых напряжений прак-
тически не ограничен и достигает десятых долей микровольта; он
определяется уровнем шумов.
194
Детектор является одним нз основных узлов вольт-
метра и в значительной мере определяет его технические
характеристики: чувствительность, уравнение шкалы
и т. д. В зависимости от конструкции детектора и его
схемы напряжение на выходе может быть пропорцио-
нальным пиковому (амплитудному) Um, средневыпрям-
ленному Ucs или среднеквадратическому (действующе-
Рис. 7.12. Структурные схемы вольтметра переменного тока.
а — с амплитудным детектором и б — с детектором средневыпрямленных на*
пряжений.
му) UCK напряжению в соответствии с формулами (7.1).
Простейший амплитудный детектор состоит из конден-
сатора, выпрямительного диода и фильтра иижних ча-
стот. На обкладках конденсатора быстро устанавливает-
ся амплитудное значение измеряемого напряжения. Од-
нако такие детекторы применяются редко из-за низкой
стабильности характеристик. В вольтметрах амплитуд-
ного напряжения детекторы построены более сложно,
состоят из нескольких функциональных узлов, охвачены
обратной связью, благодаря которой обладают улуч-
шенными характеристиками. Схема часто используемого
амплитудного детектора представлена на рис. 7.12, а.
Он состоит из двух идентичных диодно-конденсаторных
ячеек VICi и V2C2 (/). За детектором следуют фильтр
нижних частот 2 и УПТ 3, генератор низкой частоты 4
и преобразователь переменного напряжения в постоян-
ное 5. Фильтр нижних частот состоит из /?С-элементов;
УПТ может быть изготовлен по мостовой схеме или с
преобразованием сигналов. Генератор 4 запускается от
сигналов УПТ и генерирует напряжение низкой частоты
(примерно 100 кГц). Преобразователем 5 является ди-
одный выпрямитель.
Принцип работы. Измеряемое переменное напряжение U*
поступает на первую диодно-конденсаторную цепочку VlCt, а пере-
менное напряжение обратной связи —на вторую V2Ct. Емкости Ct
13*
195
и С3 подбираются такими, чтобы в течение трех-четырех периодов
входного напряжения они заряжались до - максимального значения.
Напряжение, равное разности выпрямленных диодами VI и V2 на-
пряжений, через фильтр ннжних частот управляет амплитудой гене-
ратора в цепи ОС. Коэффициент усиления УПТ подбирается таким,
чтобы напряжение ОС UOe было равно измеряемому U*. Суммарное
стабильное переменное напряжение преобразуется в пропорциональ-
ное постоянное напряжение, поступающее на стрелочный индикатор,
проградуированный в амплитудных значениях измериемого напря-
жения.
Вольтметры средневыпрямленных напряжений со-
держат детекторный преобразователь, показанный на
схеме рис. 7.12,6. Изменяемое переменное напряжение
Ux поступает на усилитель переменного тока 1, а затем
на детекторную цепь VlRi и V2R2, обведенную пункти-
ром 2. Нагрузкой детектора являются фильтр нижиих
частот 3 с выходным зажимом н резистор Rs. В этой
схеме положительная полуволна измеряемого напряже-
ния Ux замыкается по цепи ОС через диод V2, а отрица-
тельная— через диод VI. В результате на нагрузке Ra
возникает пульсирующее напряжение, постоянная со-
ставляющая которого через фильтр нижних частот 3 по-
ступает на выход (/св. Применение отрицательной ОС
позволило повысить стабильность характеристик, чув-
ствительность прибора и скорость измерений. По такому
принципу работают вольтметры ВЗ-28, B3-38 и др.
Измерение среднеквадратического напряжения рас-
смотрим на примере электронного микровольтметра
ВЗ-40, структурная схема которого приведена на
рис. 7.13. Часть узлов и блоков аналогична тем, которые
уже встречались: делитель напряжения 1, усилитель-
повторитель (например, эмиттерный) 2, аттенюатор 3,
усилитель переменного тока 4, детектор 5, УПТ 6 и стре-
лочный индикатор 7. Ко входу подводится измеряемое
напряжение Ux, на выходе действует среднеквадратиче-
ское иСк (действующее). Аттенюатором называется уст-
ройство для плавного регулирования сигналов в одной
из точек измерительной цепи; как правило, ими являют-
ся переменные резисторы, подвижный контакт которых
связан с ручкой на передней панели прибора.
Детектор 5 построен на основе термопреобразовате-
лей ТП1 и ТП2, которые состоят из нагревательных эле-
ментов и термопар. В качестве нагревателя использует-
ся тонкая проволока из жаропрочных металлов, допу-
скающих длительный нагрев до 400—500 К (константан,
иихром, вольфрам и др.). Термопары обычно выполня-
196.
ются из сплавов золота, палладия и платины в паре с
платинородием, из хромеля в паре с алюмелем и т. д.
Нагреватель и термопара разделены изолятором — кап-
лей стекла (бусинкой), через которую передается тепло-
та от нагревателя к термопаре. Для уменьшения внеш-
них воздействий термопреобразователь помещают в
стеклянный баллон с вакуумом.
Рнс. 7.13. Структурная схема вольтметра переменного тока с де-
тектором'средиеквадратических (действующих) напряжений.
При протекании через нагреватель измеряемого тока выделяет-
ся теплота, количество которой пропорционально квадрату тока, а
термо-ЭДС Е пропорциональна количеству теплоты. Таким образом^
термопреобразователь имеет квадратичную зависимость термо-ЭДС
от тока. Термопреобразователи отличаются от детекторов других
конструкций простотой, малыми габаритными размерами, высокой
надежностью и точностью, поэтому они получили широкое распро-
странение в приборах новых серий. В схеме электронного вольтмет-
ра используются последовательно соединенные идентичные термо-
преобразователи ТП1 и ТП2. Нагреватель одного из них присоеди-
нен к выходу предварительного усилителя, нагреватель другого — к
выходу УПТ. Термопары подключены к входу дифференциального
УПТ с большим коэффициентом усиления; глубокая отрицательная
QC обеспечивает высокую стабильность характеристик вольтметра.
Стрелочный индикатор 7 проградуирован в среднеквадратических
значениях измеряемого переменного напряжения.
Микровольтметр ВЗ-40 конструктивно оформ-
лен в виде переносного блока размерами 152Х206Х
ХЗОО мм и массой 7 кг. На его лицевой панели установ-
лен стрелочный индикатор, переключатели диапазонов
измерения и настройки и входные соединительные гнез-
да. Прибором можно измерять переменные напряжения
от 10 мкВ до 300 В (переключатель диапазонов имеет
16 позиций); диапазон частот измеряемых напряжений
от 5 Гц до 5 МГц; точность измерения не менее 1,5%.
Электронные аналоговые (стрелочные) частотомеры
предназначаются для измерения частоты электрических
1&
сигналов. Среди серийно выпускаемых имеются частото-
меры, основанные на интегральном методе; этот метод
заключается в измерении среднего тока разряда конден-
сатора, периодически (с периодом измеряемой частоты)
заряжаемого от стабилизированного источника постоян-
ного тока.
Принцип действия конденсаторного частото-
мера поясняется обобщенной схемой, приведенной на
Рнс. 7.14. Схема простейшего ^йстотомера конденсаторного типа (а)
н структурная схема серийио выпускаемого аналогового частотоме-
ра (б).
рис. 7.14, а. Напряжение измеряемой частоты fx подво-
дится к обмотке электромеханического вибратора М;
конденсатор заряжается от источника постоянного на-
пряжения Е, а разряжается через электромеханический
измерительный механизм (микроамперметр) с сопротив-
лением гд. Конденсатор заряжается в течение V2 пери-
ода изменения напряжения, при этом количество элект-
ричества, накопленное конденсатором, будет равно q =
— СЕ. Параметры R и С выбирают так, чтобы выполня-
лось неравенство TX^RC. При этом qPa»=C(E—иИ), а
среднее значение тока 7Ср~ С(Е—Ua)fx, где иИ — оста-
точное напряжение, до которого разрядится конден-
сатор.
Поскольку ЭДС источника Е и напряжение на кон-
денсаторе при его разряде неизменны, то измеряемая
частота пропорциональна среднему току через микроам-
перметр, шкала которого градуируется в герцах. Схемы
частотомеров с электромеханическими вибраторами при-
годны лишь для измерения низких частот (fx^500 Гц).
Большие частоты (до 500 кГц) измеряются при помощи
конденсаторных (интегральных) частотомеров, выпол-
ненных на электронных усилительных элементах.
Упрощенная схема распространенных частотоме-
ров показана на рнс. 7.14,6. Частотомер состоит нз входного уст-
ройства 1, усилителя мощности 2, блока зарядно-разрядных кондеи-
198
Сатаров 3, мостового выпрямителя 4 и стрелочного индикатора 5
Входное устройство содержит предварительный усилитель и формы
рователь прямоугольных импульсов. Усилительными элементами
могут быть транзисторы или электронные лампы. Усилитель настраи-
вается для работы в режиме D. В качестве формирователя прямо-
угольных импульсов применяется ждущий мультивибратор либо дру-
гое устройство, состоящее, например, из диодов или стабилитронов
и резисторов. Усилитель мощности работает также в ключевом
режиме, он обеспечивает постоянство ЭДС и тока при зарядке кон-
денсатора. Блок конденсаторов состоит из набора конденсаторов раз-
личной емкости, которые переключателем можно подключать к
мостовому выпрямителю и, таким образом, изменять диапазон из-
меряемых частот.
Принцип работы. Напряжение любой формы, частоту ко-
торого необходимо измерить, подводится к выводам входного уст-
ройства. Предварительный усилитель (прн достаточно большом вход-
ном сигнале) возбуждает ждущий мультивибратор, который выра-
батывает прямоугольные импульсы с периодом следования, равным
периоду измеряемого напряжения: Т«=1//х. Импульсное напряже-
ние управляет усилителем мощности. В отрицательный полупернод
транзистор закрыт и конденсатор заряжается через резистор R.
В течение положительного полупериода конденсатор разряжается
через УЭ и стрелочный прибор. Микроамперметр измеряет среднее
значение токов разряда конденсатора, чем чаще поступают импуль-
сы, т.е. чем больше частота, тем выше зарядконденсатора и сред-
ний ток, измеряемый стрелочным прибором. Диапазоны измерений
частотомеров этого типа распределяются равномерно от 30 до 5Х
XIО5 Гц с погрешностью около 2%. Входное напряжение t/ax>0,5-r-
4-200 В при входном сопротивлении примерно 500 кОм.
Электронные аналоговые фазометры применяются
в экспериментальной технике для измерения сдвига фа-
зы между двумя переменными напряжениями одинако-
вой формы и частоты в диапазоне от 0 до 180°; ампли-
тудные значения обоих напряжений могут быть неоди-
наковыми и лежат в пределах 0, 5; ...; 200 В. Известны
различные принципы построения аналоговых фазомет-
ров. Широко распространен фазометр, в котором вре-
менной интервал сдвига между двумя колебаниями пре-
образуется в импульсы тока фиксированной высоты,
среднее значение которого /ср пропорционально углу
сдвига. Его структурная схема приведена на рис. 7.15, а.
В фазометре имеется два идентичных усилительно-пре-
образовательных канала. Один канал предназначен для
измеряемого их, а второй — для опорного и0 напряже-
ний. В каналах установлены предварительные усилите-
ли 1 и 2 с мультивибраторами, работающими в ждущем
режиме. Имеется также суммирующий каскад 3, состоя-
щий из синхронизируемых мультивибраторов. На выхо-
де суммирующего каскада установлен выпрямитель, к
199
которому присоединен электромеханический индикатор
<pt проградуированный в единицах фазового сдвига (гра-
дусах) .
Принцип работы поясняется рнс. 7.15,6. Входные напря-
жения (исследуемое и опорное) предварительно усиливаются; при
атом выравниваются амплитуды обоих сигналов. Если между сигна-
лами ие имеется фазового сдвига, то мультивибраторы, возбужда-
Рис. 7.15. Электронный аналоговый фазометр: структурная схема
(а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (о).
емые усиленными сигналами, срабатывают одновременно и выдают
равные прямоугольные импульсы в суммирующий каскад. Синхрони-
зируемые мультивибраторы вырабатывают также прямоугольные
импульсы одинаковой длительности. Выходы мультивибраторов сум-
мирующего каскада включены встречно и соединены со стрелочным
прибором. Фазовый сдвиг между колебаниями определяется форму-
лой <р = 360° Д//Г. Прн отсутствии сдвига <р =	= 0. Прн наличии
сдвига через прибор проходят два импульса тока постоянной высо-
ты I» длительностью А/, пропорциональной углу сдвига: первый из
синхронизируемых мультивибраторов формирует импульс длитель-
ностью Т/2+Д< (график (1), а второй мультивибратор — импульс
длительностью Г/2—Д( (график (2). Среднее значение (постоянная
составляющая) тока /вр за период Т входного сигнала, измеряемое
прибором, равно /ср =/м Д(/Г. Фазовый сдвиг для этого случая
подсчитывается по формуле ф == 180/ср//м = й/Ср (й — коэффициент
пропорциональности); из формулы следует, что фазовый сдвиг про-
порционален среднему зиачению тока. Поэтому шкала прибора гра-
дуируется непосредственно в градусах фазового сдвига. При угле
ф>180° стрелка прибора отклонится в противоположном направле-
нии и в этом случае необходимо изменить полярность включения
индикатора. Серийные приборы измеряют фазовые углы в пределах
±180° на частотах от 20 Гц до 100 кГц с погрешностью меиее 4%.
200
7Л. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
Электронным цифровым вольтметром называется
прибор, состоящий из аналого-цифрового преобразова-
теля (АЦП) и цифрового индикатора. В цифровом
вольтметре измеряемое напряжение автоматически срав-
нивается с опорным и готовый результат высвечивается
в цифровой форме. В современных цифровых вольтмет-
рах также автоматически производится переключение
диапазонов измерения, определение полярности, перио-
дичность измерений и другие операции.
Цифровые вольтметры применяются в измерительной
технике наравне с аналоговыми приборами или вместо
них. Преимуществами электронных цифровых вольтмет-
ров считаются высокое быстродействие, неограниченная
точность и возможность их использования в регулято-
рах автоматических систем технологических установок.
Разработано много способов автоматического измерения посто-
янного н переменного напряжений; большое распространение полу-
чили цифровые вольтметры постоянного тока, снабженные преобра-
зователями переменного напряжения в постоянное. В цифровых
вольтметрах используются методы время-импульсного, кодо-импульс.
иого преобразования и преобразования напряжения в частоту. Более
простыми являются вольтметры, основанные на время-импульсном
методе. Упрощенная структурная схема вольтметра
этого типа представлена на рнс. 7.16, а, а диаграммы, поясняющие
взаимодействие блоков, — на рнс. 7.16, б.
Основными блоками вольтметра являются входное
устройство ВУ, усилитель постоянного тока УПТ, срав-
нивающие устройства СУ\ и СУ2, генераторы пилообраз-
ного и прямоугольного напряжений, счетчик импульсов
Сч и цифровой индикатор напряжения В. В вольтметре
имеются также источник опорного напряжения ИОН и
преобразователь переменного напряжения в постоянное
(детектор). Кроме того, на схеме не показаны устрой-
ства автоматического определения полярности и выбора
диапазона измерений, блок управления и другие устрой-
ства.
Входное устройство ВУ состоит из входных соедини-
телей, коммутирующих элементов, делителей напряже-
ния, корректирующих цепей и других устройств. Обыч-
но все они монтируются на внутренней стороне лицевой
панели вольтметра, а на внешнюю сторону вынесены
цифровое табло, ручки управления работой вольтметра
и коммутационные элементы. На внешней стороне па-
нели нанесены поясняющие надписи и указатели.
201
Усилитель постоянного‘тока может быть
мостовым или с преобразованием сигналов; он должен
обладать большим входным сопротивлением (1 МОм
и более), высокой стабильностью и линейностью усиле-
ния, мал14м дрейфом нуля. Дополнительными требова-
ниями являются высокое быстродействие и сохранение
симметрии выходного сигнала обеих полярностей отно-
сительно среднего уровня.
а;
Рис. 7.16. Электронный цифровой вольтметр: структурная схема (я)
и графики прохождения сигналов (б).
Сравнивающие устройства СУ! и СУ2 выполняют
функции сравнения напряжений: в СУ1 сравнивается
входное напряжение с пилообразным, а в СУ* — напря-
жение нулевого значения с тем же пилообразным. В мо-
менты равенства напряжений СУ вырабатывают управ-
ляющие сигналы 1ъ2 (рис. 7.16,6). Качество СУ опре-
деляют чувствительностью, входным сопротивлением,
быстродействием, линейностью напряжения иа рабочем
участке и другими параметрами. Сравнивающие устрой-
ства имеют по два входа и одному выходу, в каждом из
них содержатся пороговое устройство и генератор оди-
ночных импульсов. Простейшее пороговое устройство
может быть выполнено из двух диодов, включенных на
один нагрузочный резистор. Если на один диод подано
измеряемое напряжение Ux, запирающее его, а на дру-
гой — поступает линейно изменяющееся напряжение, то
в момент равенства напряжений на выходе диодно-ре-
зисторного звена возникнет выходное напряжение, сра-
202
ботает одновибратор, который выдаст один импульс.
Чтобы повысить чувствительность и точность вольтмет-
ров, в сравнивающих устройствах применяются диффе-
ренциальные усилители с большим коэффициентом уси-
ления разности сравниваемых напряжений.
Генератор пилообразного напряжения (ГПН) дол-
жен вырабатывать линейно изменяющееся напряжение
заданной высоты с коэффициентом нелинейности, не
превышающим 0,01—0,02% при высокой стабильности
крутизны рабочего участка. Это достигается применени-
ем УЭ с большим коэффициентом усиления, прецизион-
ных резисторов и конденсаторов и глубокой ООС.
Генератором счетных импульсов является мульти-
вибратор со стабилизацией частоты и высоты импуль-
сов. Он вырабатывает непрерывную последовательность
коротких прямоугольных импульсов, частота которых
определяет точность преобразования измеряемого на-
пряжения из непрерывной формы в число-импульсную
форму.
Ключевое устройство К состоит из УЭ, работающих
в ключевом режиме и имеющих несколько входных це-
пей: сигналы одной цепи отпирают УЭ, сигналы другой
цепи запирают его; по третьей цепи проходят счетные
импульсы в те моменты, когда УЭ находится в откры-
том состоянии. Важнейшим требованием к ключевому
устройству является быстродействие его работы, т. е.
срабатывание в течение долей микросекунды.
Счетчики импульсов Сч строятся на основе различ-
ных принципов. Чаще всего они состоят из набора триг-
геров, переключающихся в определенном порядке про-
шедшими через ключевое устройство импульсами. Триг-
гером называется устройство, обеспечивающее быстрое
переключение цепи из одного устойчивого состояния
(например, ВКЛЮЧЕНО) в другое устойчивое состоя-
ние — ВЫКЛЮЧЕНО. При переключениях триггеров
образуются цепи прохождения сигналов на цифровые
индикаторы отсчетного устройства.
Отсчетным устройством В является цифровое таблЪ,
состоящее из цифровых (знаковых) индикаторов. Инди-
каторами могут быть газоразрядные цифровые лаМпы,
люминесцентные знаковые индикаторы, цифроподобные
сегменты из жидких кристаллов или индикаторы с лам-
пами накаливания. В электронном счетчике сигналы
преобразуются с помощью дешифраторов (см. § 8.6) в
203
десятичный кбд и затем поступают на разряды (едини-
цы, десятки, сотни) отсчетного устройства.
Источник опорного напряжения ИОН представляет
сббой стабилизированный источник калиброванного по-
стоянного напряжения, встроенный в корпусе прибора.
Он используется для периодической проверки правиль-
ности работы цифрового вольтметра. Преобразова-
телем переменного напряжения в постоян-
ное является устройство со средиеквадратическим,
средневыпрямленным или амплитудным детектором, по-
зволяющее измерять цифровым вольтметром не только
постоянное, ио и переменное напряжение. В конструкци-
ях цифровых вольтметров в зависимости от конкретных
требований могут быть и другие узлы и блоки.
Принцип работы цифрового вольтметра поясняется графи-
ками на рнс. 7.16,6. В исходном состоянии на цифровом табло вольт-
метра высвечиваются цифры 0; все блоки включены; генераторы вы-
рабатывают импульсы; сравнивающие устройства, ключ К, счетчик
и цифровое табло находятся в режиме ожидания; измеряемое напря-
жение Ux подведено ко входному устройству. От сигнала ПУСК
(момент 1 на осн времени f) срабатывает ГПН, и на сравнивающие
устройства подается линейно изменяющееся напряжение. В момент
2 оно сравняется с измеряемым напряжением; СУ{ выдает импульс,
которым отпирается ключевой элемент К. С этого момента прямо-
угольные импульсы стандартной частоты проходят через ключ и
счетчик считает их; ключ К остается открытым до момента 3, когда
второе сравнивающее устройство выдаст импульс о совпадении ну-
левого напряжения (напряжение корпуса) с пилообразным. Ключ К
запирается, н счетчик останавливается.
Поскольку цифровое табло связано с выходом счетчика, оно
отобразит напряжение, пропорциональное количеству импульсов.
Измеряемое напряжение U* находится в зависимости от количества
считанных импульсов Nx и их частоты fn, а также от крутизны на-
клона спилы» S: Ux == NxfirlS. Из формулы следует, что точность
измерения при неизменной крутизне S возрастает пропорционально
частоте прямоугольных импульсов. Если применить высокочастотный
генератор стандартных импульсов н обеспечить их прохождение в
других узлах прибора, то можно обеспечить измерение очень малых
напряжений (порядка нескольких микровольт), повысить скорость
измерений (до нескольких сотен в секунду) н расширить диапазон
измеряемых напряжений от микровольт до сотен вольт.
Показание, установнвшееси на цифровых индикаторах, сохраня-
ется до начала очередного цикла. Во многих цифровых приборах
предусмотрено ручное и автоматическое управление запуском, пе-
риодичностью измерений, порядком операций (калибровка, подстрой-
ка, измерение и т. д.). Эти функции осуществляютси программным
устройством с реле времени и соответствующими электронными ре-
гуляторами.
Примером цифрового вольтметра, работающего на основе вре-
мя-импульсного преобразования, является вольтметр типа BK7-1QA.
Qh предназначен для измерения постоянного н переменного навря-
204
ження от 1 мВ до 1800 В на трех пределах измерения; входное со-
противление ₽вх«1ч-3 МОм, диапазон частот переменного напря-
жения от 20 Гц до 20 кГц; время одного измерения менее 30 мс,
относительная погрешность менее 0,1%; питание от сети 220 В,
50 Гц, мощность 145 В-A; габаритные размеры 380X320X370 мм;
масса 25 кг.
7.7.	ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
Электронным осциллографом называется измери-
тельный прибор, высвечивающий электронным лучом на
экране графики электрических сигналов. Электронный
осциллограф позволяет исследовать как временное, так
и параметрические зависимости. Существуют различные
типы электронных осциллографов. Они разделяются на
универсальные, скоростные, стробоскопические, запоми-
нающие и специальные.
Универсальные осциллографы позволяют исследовать сигналы
в широком диапазоне частот, амплитуд, длительности колебаний,
определить частоту их повторения. Ряд осциллографов этой группы
имеет полосу пропускания частот от нуля до нескольких мегагерц,
ширина полосы других типов доходит до 200 МГц; осциллографы
можно использовать для наблюдения и измерения мгновенных зна-
чений сигналов с амплитудой от долей милливольта до сотен вольт
и их длительностей от единиц наносекунд до десятков секунд. Изо-
бражения сигналов воспроизводятся на экране практически одновре-
менно с нх действием в исследуемой электрический цепи, поэтому та-
кие осциллографы называют осциллографами реального времени.
Скоростные осциллографы предназначаются для исследования
быстропротекающих процессов, длительностью в доли и единицы
наносекунд. Принцип построения и конструкция таких осциллогра-
фов и отдельных узлов существенно отличаются от универсальных
осциллографов.
Стробоскопические осциллографы позволяют исследоиать сигна-
лы еще большей частоты—пнкосекундной длительности. Достига-
ется это благодаря тому, что высвечивание сигнала на экране про-
изводится в течение нескольких повторяющихся периодов; изобра-
жение сигнала формируется на экране из отдельных точек его
мгновенных значений, взаимно сдвинутых по иременн. Осциллографы
этой группы обладают высокой чувствительностью и широкой по-
лосой частот (от 0 до 10 ГГц).
Запоминающие осциллографы обладают свойством сохранять
в течение некоторого времени изображение сигнала на экране после
его исчезновения на входе осциллографа; такие осциллографы при-
меняются для исследования однократных сигналов. Они имеют при-
мерно такие же электрические характеристики, как и универсальные
осциллографы. Диапазон измеряемых интервалов времени за счет
использовании электронной памяти у них расширен до десятков
секунд.
К группе специальных относят осциллографы, предназначенные
для исследования телевизионных сигналов. Для этой цели они
Снабжены блоками выделения строк развертки, устройством восста-
205
новления постоянной составляющей и т. д. Осциллографы классифи-
цируют по многим признакам: по количеству одновременно наблю-
даемых сигналов (одно-, двух- и многолучевые), по времени после-
свечения (короткое, длительное), по цвету свечения и т. д.
Устройство осциллографа. Каждый элект-
ронный осциллограф состоит из взаимодействующих
блоков; одни из них являются общими, другие — выпол-
Рис. 7.17. Структурная схема электронного осциллографа.
няют определенные функции. Структурная схема универ-
сального осциллографа приведена на рис. 7.17. Важней-
шей составной частью является электронно-лучевая
трубка ЭЛТ. Управление процессами, протекающими в
ЭЛТ, осуществляется по трем каналам: каналу верти-
кального отклонения У, каналу горизонтального откло-
нения X и каналу яркости свечения Z. Все устройства
осциллографа получают энергию от блока питания БП.
В осциллографах промышленного производства имеются
калибраторы напряжения КН, калибраторы длительно-
сти исследуемых процессов М и другие дополнительные
устройства для обеспечения удобств при выполнении
экспериментов и для повышения точности измерений.
Электронно-лучевая трубка предназначается для вы-
свечивания на ее экране исследуемых сигналов. Она
представляет собой электровакуумный прибор, в кото-
ром смонтированы электроды для получения электрон-
206
ного луча и управления им. Как правило, во всех осцил-
лографах установлены ЭЛТ с электростатическим от-
клонением луча двумя парами управляющих пластин*
одна пара для отклонения в вертикальном, другая па-
ра — в горизонтальном направлениях.
Канал вертикального отклонения У выполняет роль
устройства, формирующего на экране входной исследу-
емый сигнал Ubx по величине и мощности. Он состоит из
входного устройства ВУ и усилителя вертикального от-
клонения. Входное устройство содержит выводы для
присоединения внешних проводников, делитель напря-
жения с коммутирующими элементами и корректирую-
щими цепями. Усилитель служит для усиления входных
сигналов до уровня, необходимого для воздействия на
электронный луч со стороны вертикально-отклоняющих
пластин.
Канал X обеспечивает управление лучом в горизон-
тальной плоскости. При исследовании временных зави-
симостей на пластины подается линейно изменяющееся
(пилообразное) напряжение с требуемым периодом по-
вторения. Генератор пилообразного напряжения Г с уси-
лителем часто называют генератором развертки. В этом
же канале имеется устройство синхронизации С с пред-
варительным усилителем, которое запускает генератор
синхронно с началом действия исследуемого входного
сигнала. Синхронизация может быть внутренней и внеш-
ней: внешняя синхронизация производится сигналами
от внешних источников через входное гнездо Uc кана-
ла X.
Канал Z управляет яркостью свечения изображения
на экране. Процесс регулирования яркости называется
модуляцией канала Z; он производится путем изменения
плотности электронного потока. Во многих осциллогра-
фах предусмотрены регуляторы плавного и(или) сту-
пенчатого управления яркостью свечения. Имеется воз-
можность воздействовать на канал Z внешними источ-
никами через гнездо с внешней стороны осциллографа
(на рисунке не показано).
Калибратор напряжения КН представляет собой ге-
нератор прямоугольных импульсов строго фиксирован-
ной амплитуды. Блок питания вырабатывает энер-
гию для накала катода ЭЛТ и для питания цепей усили-
телей и генераторов. Кроме того, блок питания выдает
высокое напряжение для питания анодных цепей ЭЛТ.
207
Принцип работы осциллографа. Высвечивание элек-
трического колебания на экране ЭЛТ является устойчивым, если
обеспечено правильное взаимодействие всех узлов осциллографа
Отображение колебаний на экране ЭЛТ поясняется на рис. 7 18.
В начальном состоянии осциллограф включен, а входной исследу-
емый сигнал отсутствует; на экране видна лишь горизонтальная
линия /; это означает нормальное функционирование генератора
развертки. Линейно изменяющееся напряжение на горизонтально-
отклоняющнх пластинах плавно перемещает луч в направлении от
одной пластины к другой; при
обратном ходе «пилы» луч за-
темняется. Если теперь подать
на вертнкально-отклоняющне
пластины исследуемый сигнал,
то электронный луч будет нс-
Рнс. 7.18. Формирование изо-
бражения иа экране электрон-
но-лучевой трубки (ЭЛТ).
пытывать воздействие как пилообразного, так и исследуемого напря-
жения, т. е. он будет двигаться по сложной траектории (кривая 2).
На передней прозрачной стенке ЭЛТ с внутренней стороны на-
несено люминесцентное покрытие нз вещества, в атомах которого
валентные электроны под воздействием электронного луча изменяют
энергетическое состояние и излучают световые кванты. Чтобы све-
тящийся график сигнала — изображение на экране ЭЛТ — был
устойчивым, необходимо соблюсти требования: 1) обеспечить равен-
ство или кратность частот развертки и исследуемого сигнала
fp=fo/n, где ft — частота пилообразного напряжения, fc — частота
сигнала, п= 1, 2, ...; 2) синхронизировать начало рабочего хода раз-
вертывающего напряжения с одной нз характерных точек графика
сигнала; для синусоидального сигнала такой точкой может быть
момент перехода графика от отрицательных значений к положи-
тельным, для прямоугольного импульса — совмещение начала фрон-
та с началом рабочего хода.
Таким образом, в канале вертикального отклонения исследуе-
мый сигнал усиливается н поступает на вертикально-отклоияющне
пластины ЭЛТ; прн этом вырабатывается импульс характерной
точки графика, который поступает на устройство синхронизации. Ге-
нератор развертки срабатывает от синхронизирующего импульса,
н рабочий ход линейно изменяющегося напряжения поступает иа
горизонтальио-отклоняющие пластины. Электронный луч вычерчи-
вает иа экране график-осциллограмму — результат суммарного воз-
действия двух управляющих напряжении. Чтобы оценить размах
исследуемого сигнала без применения каких-либо измерительных
приборов, можно вручную подключить встроенный внутри калибра-
тор стабильного напряжения и провести сравнение. Для определе-
ния длительности колебания используется калибратор стандартных
интервалов времени, который своими имиульсами периодически за-
темняет электронный луч.
208
Основными техническими параметрами осцил-
лографа являются диапазон входных напряжений, полоса пропуска-
ния, точность отображения сигналов, входные сопротивление и ем-
кость, габаритные размеры н масса осциллографа, напряжение пи-
тания и потребляемая мощность, условия эксплуатации и т. д.
7.8.	ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ОСЦИЛЛОГРАФА
Электроннолучевая трубка (ЭЛТ) выполняется в
виде стеклянного баллрна, внутри которого смонтирова-
на система электродов. Наиболее распространены ЭЛТ
Рис. 7.19. Устройство ЭДТ и цепи включения ее электродов.
с электростатическим отклонением луча. Они обладают
широким диапазоном частот и потребляют меньше энер-
гии от источников питания по сравнению с трубками с
электромагнитным управлением лучом. Электронно-лу-
чевые трубки подразделяются на одно- и многолучевые.
В многолучевых (чаще двухлучевых) ЭЛТ в одном бал-
лоне монтируется несколько аналогичных систем элект-
родов, работающих на общий экран.
Схема устройства ЭЛТ в рабочем режиме приведена
на рис. 7.19. Электронное облако излучается поверх-
ностью накаленного катода К. Управляющий электрод
М (сетка или модулятор) расположен в непосредствен-
209
14-107
ной близости от катода. Он имеет цилиндрическую фор-
му с круглым отверстием в торце. Аноды (первый Л] и
второй А2) также цилиндрической формы размещены в
трубке соосно с катодом и модулятором. Далее симмет-
рично относительно оси установлены последовательно
две пары вертикально- и горизонтально-отклоняющих
пластин (В77 и ГП). Торцевая стенка баллона Э назы-
вается экраном ЭЛТ. С внутренней стороны он покрыт
люминесцентным веществом. Экран, как правило, пря-
моугольной формы, имеет размеры от 60 до 180 мм. Во
многих ЭЛТ нанесен токопроводящий слой металла на
конической поверхности около экрана; этот слой служит
третьим анодом и используется для ускорения электро-
нов луча. Катод, модулятор и аноды А{ и А2 часто на-
зывают электронным прожектором (или пушкой).
Схема присоединения электродов и управле-
ния электронным лучом также показана на рис. 7.19.
Электроды прожектора присоединены к резисторному
делителю высокого напряжения Ua. Модулятор (управ-
ляющий электрод) имеет относительно катода более
отрицательный потенциал; его можно изменять резисто-
ром /?4, например, от 0 до —100 В. При этом ток элект-
ронного луча изменяется от максимума до нуля и вме-
сте с этим яркость свечения изображения на экране.
Аноды Ai и А2 создают ускоряющее электрическое поле.
Для этой цели к ним подводится высокое напряжение:
300—500 В на анод Ai и 1—5 кВ — на А2. Между анода-
ми создается неоднородное электрическое поле, сжима-
ющее электронный пучок (наподобие собирательной
линзы, фокусирующей луч света). Площадь светящегося
на экране пятна фокусируется напряжением на первом
аноде посредством переменного резистора R\\ обычно
диаметр пятна на экране равен 0,5—1 мм. Потенциал
второго анода UA2 равен потенциалу корпуса (0 В); ка-
тод имеет высокий отрицательный потенциал относи-
тельно корпуса. Такой способ включения напряжений
оказывает наименьшее влияние на управляющие пла-
стины.
Отклоняющие пластины установлены симметрично
относительно оси ЭЛТ во взаимно перпендикулярных
плоскостях. Горизонтальному направлению отклонения
луча отводится роль оси времени, а вертикальному —
роль оси мгновенных значений исследуемого сигнала
(см. рис. 7.18). Перемещение луча в заданную точку
210
экрана производится раздельно по каналам У и X по-
стоянными напряжениями, поступающими с переменных
резисторов /?2 и 7?3; ручки потенциометров выведены на
переднюю панель осциллографа. Переменные напряже-
ния развертки их и исследуемого сигнала иу подаются
на пластины через разделительные конденсаторы
(рис. 7.19).
Электронно-лучевые трубки оценивают по метрологи-
ческим и техническим параметрам. К метрологи-
ческим параметрам относятся чувствительность
ЭЛТ к отклоняющим напряжениям, диапазон частот,
погрешность отображения сигналов и др. Техническими
параметрами являются электрические, световые, кон-
структивные и др. Отклонение электронного луча h за-
висит от длины трубки L, напряжения на отклоняющих
пластинах и, длины пластин I и расстояния между ними
d, а также от ускоряющего напряжения (7а, сообщаю-
щего кинетическую энергию электронам. Его можно
подсчитать по формуле
h = — — (l + —Y
2t'a d \	2 ]
На практике чаще пользуются чувствительностью ЭЛТ, под ко-
торой понимают отношение отклонения луча к отклоняющему на-
пряжению (мм/В). Поскольку 1<L, то чувствительность определя-
ется выражением SmlLfidUА. Для большинства трубок S«0»l......
1 мм/В. Диапазон частот современных универсальных ЭЛТ не пре-
вышает 20 МГц, так как прв большей частоте заметно падает
яркость изображения на экране, кроме того, возрастают погрешно-
сти за счет увеличения утечек. Погрешность возрастает также при
увеличении диаметра светящегося пятва.
К электрическим параметрам относятся значения
напряжений на электродах ЭЛТ в номинальном режиме работы.
Например, для канала Z требуется напряжение от 0 до 100 В, для
фокусировки луча — анодное напряжение 17ai«300 В, на ускоряю-
щие аноды —до 5 кВ. К световым характеристикам относятся цвет,
яркость и длительность свечения изображения. ЭЛТ с экраном зе-
леного и оранжевого цвета наиболее благоприятны при визуальных
исследованиях, так как менее утомительны для зрения; синий и
фиолетовый цвета предпочтительны в ЭЛТ, предназначенных для
фотографирования осциллограмм. Цвет свечения указывается в ус-
ловном обозначении ЭЛТ. Длительность свечения зависит от типа
люминофора и подразделяется на короткое время (менее 10 мс),
среднее (10—100 мс) и длительное (более 100 мс).
Усилители используются во всех трех каналах. Об-
щим требованием к усилителям является обеспечение
постоянства коэффициента усиления в широком диапа-
зоне частот. От частотных характеристик усилителей за-
14*
211
висит точность воспроизведения отдельных участков сиг-
нала— фронта нарастания, среза, выбросов, фазовых
сдвигов и осциллограммы сигнала в целом. Важным
параметром является дрейф нуля выходного напряже-
ния, приводящий к смещению луча на экране ЭЛТ.
Генератор развертки. Развертывающим называют на-
пряжение, перемещающее электронный луч по заданной
траектории. В универсальных осциллографах часто прн-
Рис. 7.21. Формирователь опор-
ного напряжения.
Рнс. 7.20. Графики, поясняю-
щие причину искажений изо-
бражения иа экране осцилло-
графа.
меняют линейную непрерывную, линейную ждущую и
круговую (эллиптическую) развертки.
Линейная непрерывная развертка обеспечивает пе-
риодическое движение луча по экрану вдоль одной из
осей (обычно горизонтальной) с постоянной скоростью.
Для этого используют генераторы пилообразного напря-
жения. Если развертывающее напряжение во время пря-
мого хода изменяется не с постоянной скоростью, то
изображение на экране будет отличаться от действи-
тельной формы исследуемого сигнала, так как в этом
случае не будет линейной связи между приращениями
напряжений по осям У и X экрана. Процесс формирова-
ния изображения синусоидального колебания ип линей-
ным и нелинейным развертывающими напряжениями ир
на экране иллюстрируется рис. 7.20. При изменений раз-
вертывающего напряжения с постоянной скоростью
212
(прямая линия Up) все периоды синусоидального коле-
бания равны между собой (осциллограмма в виде тон-
кой штриховой линии); при нелинейном развертываю-
щем напряжении колебания сигнала растянуты на уча-
стках большей скорости развертки и сгущены на участке
с меньшей скоростью изменения развертывающего на-
пряжения (сплошная жирная линия). В генераторах
развертки предусматривается возможность регулирова-
ния частоты развертки: ступенчато — переключением
конденсаторов различной емкости и плавно — перемен-
ным резистором.
Ждущая развертка, как н непрерывная линейная,
применяется при измерении параметров периодических
или одиночных импульсных сигналов и в особенности
коротких импульсов; с непрерывной разверткой корот-
кий импульс будет иметь вид вертикального штриха.
Ждущая развертка включается с небольшим опереже-
нием относительно входного сигнала, и длительность ее
рабочего хода выбирается соизмеримой с длительностью
исследуемого сигнала. Чтобы изображение иа экране
было устойчивым, ждущая развертка запускается сами-
ми же исследуемыми импульсами; на время между им-
пульсами электронный луч заперт отрицательным напря-
жением на модуляторе.
Круговая развертка на экране осциллографа имеет
вид эллипса или окружности, она длиннее линейной раз-
вертки. Ее удобно применять, когда необходимо «растя-
нуть» исследуемый процесс и показать больше подроб-
ностей. Круговая развертка образуется, если на одну
пару пластин подать напряжение Ы1=Л1 sincof, а на
другую пару отклоняющих пластин — сдвинутое на 90°
напряжение, т. е. и2—А2 cos at. Прн этом условии элект-
ронный луч подвергается одновременному воздействию
обоих напряжений и траекторией луча будет эллипс или
окружность (при соответствующих амплитудах сигна-
лов). Примеиеиие круговой развертки -расширяет воз-
можности осциллографа как измерительного прибора.
Калибратор напряжения в осциллографе служит для
измерения (калибровки) амплитуды исследуемого сиг-
нала. Измерение производится методом сравнения (на
экране осциллографа) высоты импульса стабилизиро-
ванного источника с амплитудой исследуемого сигнала.
Схема одного из вариантов калибратора напряжения
показана на рис. 7.21. Он состоит из резисторов и
213
встречно включенных стабилитронов. Калибрующее на-
пряжение UK в виде периодической последовательности
прямоугольных импульсов снимается с градуированного
потенциометра 7?н.
Калибратор длительности позволяет измерять пара-
метры импульсов и период колебаний. Калибратор дли-
тельности представляет собой генератор коротких им-
пульсов нескольких фиксированных частот, соизмеримых
с частотами развертки. Выход калибратора длительности
подключается по мере надобности к модулятору ЭЛТ.
При этом на исследуемом сигнале появляются темные
точки — метки времени (что характерно для большин-
ства типов осциллографов).
7.9.	ОСЦИЛЛОГРАФЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Электронные осциллографы широко применяются не только для
наблюдения процессов, но и для измерения электрических парамет-
ров: напряжении, тока, частоты, фазовых сдвигов, интервалов вре-
мени и т. д. В сочетании с датчиками осциллографы используются
для измерения неэлектрических параметров. С помощью осцилло-
графа выполняются исследования и параметрических зависимостей,
например таких, как кривые гистерезиса материалов, ВАХ электрон-
ных приборов и т. д.
Измерение напряжения сводится к выполнению двух
операций: а) получение изображения исследуемого сиг-
нала йвх и его фиксация на экране ЭЛТ по вертикали;
б) подключение к этому же каналу У калибратора на-
пряжения, амплитуду которого подбирают равной или
близкой к высоте исследуемого сигнала. При несовпаде-
нии высот калиброванного йк и исследуемого йвх сигна-
лов напряжения определяют по формуле «Вх=^кЛвх/йк,
где Лвх и hK — высоты исследуемого и калиброванного
сигналов в делениях шкалы экрана ЭЛТ. В качестве ис-
точника известного напряжения может быть использован
внешний генератор.
Измерение длительности импульсов и других времен-
ных характеристик электрических сигналов выполняется
при помощи калибраторов длительности — генераторов
светящихся меток. Частота развертки обычно приблизи-
тельно известна по делению шкалы, против которого ус-
тановлен указатель переключателя. Если на экране изо-
бражен синусоидальный или другой периодический сиг-
нал и требуется определить его частоту, необходимо
количество периодов колебания умножить на частоту
развертки. Если требуется определить параметры им-
214
пульсного сигнала, к модулятору ЭЛТ подключают ка-
либратор длительности и регулировкой его частоты до-
биваются совмещения целого числа меток на изображе-
нии импульса. По шкале калибратора длительности
отсчитывают значения времени отдельных параметров.
Если, например, фронт импульса нарастает за п меток,
то его длительность равна 1ф=пТк, где Тк — период ка-
либрованных меток.
Измерение частоты синусоидальных колебаний мо-
жет быть выполнено различными способами. Один из
способов заключается в сравнении частоты исследуемо-
го колебания с частотой образцового генератора сигна-
лов. Образцовый генератор подключают к пластинам А',
а сигналы неизвестной частоты подают на пластины У
(генератор развертки необходимо отключить). При точ-
ном равенстве частот на экране будет наблюдаться не-
подвижный круг (при условии hxUx=hyVy) или эллипс;
неизвестная частота отсчитывается по лийбу образцово-
го генератора. Если частоты хоть немного различаются,
то изображение станет вращаться в ту или иную сторо-
ну. При значительной разности частот F=fx—fy на эк-
ране возникнет сложная фигура, называемая фигурой
Лиссажу, один из вариантов которой показан на рис.
7.22. Для определения частоты исследуемого сигнала
фигуру Лиссажу мысленно пересекают горизонтальной
и вертикальной линиями (точки 1—6 и 1', 2') так, что-
бы они не проходили через узлы фигуры; подсчитывают
количество пересечений этих прямых с фигурой. По от-
ношению числа пересечений и по известной частоте об-
разцового генератора определяется частота исследуемого
сигнала: Пу/пх=10ъЦвт:, откуда fm=fo6nxlnv. Например,
если напряжение образцовой частоты foee300 Гц под-
ведено ко входу X, а напряжение неизвестной частоты —
ко входу Y, то /вх=300-6/2 = 900 Гц.
Измерение фазовых сдвигов проводится также при
подключении исследуемого и образцового сигналов ко
входам осциллографа У и X (генератор развертки от-
ключают). Усиление по каналам регулируют так, чтобы
на^ экране размеры изображения по осям У и X были
одинаковыми (при неизменных и равных частотах).
Круг соответствует фазовому сдвигу в 90°, прямая ли-
ния— 0 или 180°. Если оси эллипса совпадают с направ-
лением осей У и X, фазовый сдвиг ф равен 90°, если не
совпадает (рис. 7.23), то угол сдвига <р можно вычис-
215
лить по измеренным длинам отрезков Л и В <р«=ь
-=4;arcsin(>l/B).
Исследование гистерезисных свойств ферромагнит-
ных материалов, например, ферритовых тороидальных
колец, можно выполнить в соответствии со схемой, при-
Рис. 7.22. Определение частоты
по фигуре Лиссажу.
Рис. 7.23. Определение, фазово-
го сдвига по круговой разверт-
ке.
веденной на рис. 7.24. Гистерезисная характеристика яв-
ляется графическим представлением зависимости маг-
нитной индукции В от напряженности магнитного поля
Н. На кольце Т имеются две обмотки с числом витков
Рис. 7.24. Измерение магнитных характеристик (петли гистерезиса).
wi и wa. Переменный ток I, проходящий по первичной
обмотке t0b создает на сопротивлении 7?0 падение напря-
жения UT, пропорциональное напряженности магнитно-
го поля Н, которое подводится к горизонтально-отклоия-
ющим пластинам ЭЛТ. На вертикальио-отклоияющие
пластины необходимо подать напряжение, пропорцио-
нальное магнитной индукции, т. е. U2=B—([)/S. По-
скольку, во вторичной обмотке индуктируется ЭДС е2=
—^-w2dd>/dt, то напряжение u2=KdBfdt необходимо
проинтегрировать. Операцию интегрирования осуществ-
216
ляет цепь из конденсатора С и резистора R при’соблю-
дении условия 7?>хс=1/(еС). Напряжение на конден-
саторе
ыг= — (-£*-<//=— ^B(t),
с С J R RC ’
пропорционально не производной от индукции В, а са-
мой величине В.
Перед измерением магнитных параметров произво-
дится градуировка каналов, для чего на пластины У и
X подаются известные напряжеия н подсчитываются
масштабы
Шг = 2	тя = 2 V% ил/пл,
где тТ и тя — масштабные коэффициенты пропорцио-
нальности между напряжениями и магнитными парамет-
рами; Ur и ия — известные среднеквадратические (дей-
ствующие) напряжения на горизонтально- и вертикаль-
но-отклоняющих пластинах; пг и пв— длины светящихся
следов на экране ЭЛТ.
Осциллографирование ВАХ диодов производится по
Схеме, показанной на рис. 7.25. Макет для измерения со-
стоит из трансформатора Тр, осциллографа с верти-
кальным и горизонтальным каналами, исследуемого дио-
да VI и резистора /?. Сопротивление резистора /? должно
быть меньше прямого сопротивления диода. Транс-
форматор должен обладать малым внутренним сопро-
тивлением., Характеристика снимается при отключенной
развертке осциллографа.
217
Вольт-амперная характеристика — это графическая
зависимость тока диода от приложенного к нему напря-
жения. Следовательно, отклонение луча по горизонтали
должно быть пропорциональным напряжению на диоде,
а по вертикали — пропорциональным току через него.
Одновременное воздействие двух мгновенных напряже-
ний п2 и uR=iH в течение положительной части периода
перемещает луч на экране ЭЛТ вправо вверх по кривой,
выражающей зависимость I=f(U). При действии отри-
цательного полупериода луч сдвигается по горизонтали
влево и вниз на расстояние, пропорциональное обрат-
ному току диода. При последующих периодах перемен-
ного напряжения луч повторит вычерчивание характери-
стики и на экране образуется устойчивое изображение.
Контрольные вопросы
1.	Объясните условия возбуждения н поддержания электриче-
ских колебаний в генераторах.
2.	Охарактеризуйте целесообразность применения отдельных ва-
риантов схем автогенераторов.
3.	Определите индуктивность катушки контура LK генератора,
если волновое сопротивление р=600 Ом, а частота колебаний f0=
= 100 кГц.
4.	Напишите одну из формул, по которой определяется частота
колебаний, вырабатываемых /?С-генератором.
6.	Для чего в £С-геиераторах применяется отрицательная ОС?
6.	Назовите области применения генераторов различных форм
выходного напряжения.
7.	Чем отличаются схемы симметричного мультивибратора, жду-
щего мультивибратора и мультивибратора в режиме синхронизации?
8.	Приведите графики и формулы зарядки и разряда конден-
сатора.
9.	Объясните принцип устройства одного из улучшенных вари-
антов ГПН.
10.	Из каких основных узлов состоит электронный аналоговый
вольтметр?
11.	Электронный аналоговый милливольтметр ВЗ-46 показал
среднеквадратнческое напряжение 220 В. Чему равны амплитудное
и средневыпрямленное напряжения?
12.	Опишите устройство и принцип работы одного из вариантов
цифрового вольтметра.
13.	Составьте структурную схему универсального электронного
осциллографа и объясните назначение каждого блока.
14.	Приведите классификацию осциллографов; где их приме-
няют?
15.	Нарисуйте схемы для измерения иа осциллографе частоты,
фазы и напряжения, а также кривых намагничивания материала
н ВАХ диода.
218
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
Автоматические устройства состоят из отдельных
элементов, выполняющих разнообразные функции. Эле-
менты одного вида воспринимают входные воздейст-
вия— напряжение, ток, давление, влажность и др. Эле-
менты другого вида преобразуют эти воздействия в уп-
равляющие сигналы, которые, проходя последовательно
по цепи управления, приводят в действие элементы еще
одного вида — исполнительные механизмы. Элементы
подразделяются по функциональному назначению, по
принципу действия, по конструктивным н другим при-
знакам.
По аналогии с классификацией автоматических систем элемен-
ты автоматики делят на две' большие группы: импульсные (преры-
вистого действия) н аналоговые, работающие при медленно изменя-
ющихся— непрерывных — сигналах. Импульсные элементы часто на-
зывают цифровыми или дискретными.
Электрическими импульсами называют сигналы различной фор-
мы, действующие в течение короткого промежутка времени и по-
вторяющиеся через определенные интервалы времени.
К элементам импульсного режима работы относятся контактные
и бесконтактные реле, переключающие и логические элементы, триг-
геры, распределители, счетчики импульсов, шифраторы и дешифра-
торы, регистры, сумматоры и др.
Элементами аналогового действия являются преобразователи
параметров (датчики), усилители с дополнительными каскадами
для коррекции сигналов, дифференцирующие и интегрирующие эле-
менты и др. Рассмотрим лишь некоторые элементы, наиболее рас-
пространенные в технике.
8.1.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ РЕЛЕ
Электрическое реле — это механизм с входной и вы-
ходной электрическими цепями, обладающий двумя ус-
тойчивыми состояниями и способный переходить скач-
ком из одного состояния в другое. При отсутствии вход-
ного сигнала реле находится в одном устойчивом — ис-
ходном — выключенном состоянии; входной сигнал пе-
ребрасывает его в другое проводящее устойчивое
состояние.
Реле выполняют функцию коммутации — включения,
выключения или переключения — электрических цепей.
219
Реле обладают усилительными свойствами, причем их
входные цепи электрически не связаны с выходными
цепями.
Реле являются самыми массовыми элементами автоматических
систем управления, вычислительных машин, телефонной и телеграф-
ной аппаратуры и устройств радиосвязи. Реле часто используют
в измерительной технике, в устройствах защиты от опасных напря-
жений н в других случаях.
Рис 8.1. Устройство электромеханического реле (а), характеристика
релейного типа (б) н условное обозначение обмотки реле и контак-
тов (в)
Реле классифицируют по многим признакам. По виду энергии
их разделяют на электромеханические, электронные, гидравлические,
пневматические, тепловые н т. д. Признаками классификации явля-
ются функциональные различия, конструктивные особенности, а так-
же характеристики и параметры.
По способу коммутации цепей реле подразделяют на контакт-
ные и бесконтактные. Большую группу контактных реле составляют
электромеханические реле постоянного и переменного тока; суще-
ствуют комбвннрованные реле — электронно-контактные, электро-
гидравлические и т. д.
Электромеханическое реле (рис. 8.1, а) состоит из обмотки I,
магнитопровода 2, якоря 3 с шипом 4, коммутирующих контактов 5
и изолятора 6. Обмотка образует входную цепь реле; обмоток мо-
жет быть одна, две и более, все они размещаются иа магнитонро-
воде, форма н размеры которого могут быть различными. Контакты
смонтированы на упругих стержнях-проводниках и вместе с подво-
дящими проводами н нагрузкой составляют выходную цепь реле.
Количество контактов может быть различным, они собраны в груп-
пы, кинематически связанные с подвижным якорем. Магнитопровод
и якорь изготавливаются из ферромагнитных материалов; якорь за-
мыкает цепь магннтопровода.
Принцип действия состоит в том, что управляющий ток,
протекающий по обмотке с числом витков w, создает в магнитопро-
воде магнитный поток, и возникающее механическое усилие F пере-
мещает якорь в сторону уменьшения воздушного Зазора б. Шип на
якоре нажимает иа упругую пластину, контакт которой соприкаса-
ется с контактом другой пластины, происходит соединение выход-
ной цепи — нагрузки (исполнительного механизма) с источником
энергии Е. Во многих конструкциях реле с несколькими контактны-
ми группами часть контактов в исходном положении замкнута (их
называют размыкающими), другие контакты разомкнуты (их икзы-
220
вают замыкающими). При срабатывании реле замкнутые контакты
размыкаются, а разомкнутые — замыкаются, т. е. происходит пере-
ключение выходных цепе*.
Механическое усилие якоря
(0,4n/w)*S 1
F= 8я б» ’
где 1 — ток; w — число витков обмотки, 5 — площадь поперечного
сечения магиитопровода; б — воздушный зазор.
Рис 8 2 Электромеханические безъякориые реле: ферриды (в) и гер-
коны (б).
С уменьшением зазора 6 сила F возрастает и якорь движется
ускоренно. Быстродействие увеличивается при снижении инерцион-
ности якоря и магнитной цепи. При отключении обмотки исчезает
магнитный поток, упругие силы сдвигают якорь в исходиое положе-
ние п выходная цепь размыкается
Характеристика реле относится к типично Нелинейным
(рис. 8.1,6). По горизонтальной оси отложены значения входного
параметра (например, тока в обмотке), по вертикальной — зиачения
выходного параметра (тока через контакты). Реле срабатывает,
т е. якорь, преодолев сопротивление упругих сил, притягивается
к торцу магиитопровода, при значении входного параметра х>хср,
отпускание же якоря происходит при х<Хо. Такое несоответствие
объясняется гистерезисными свойствами материалов, из которых
изготавливают магиитопроводы.
Для коммутации цепей с током в десятки ампер часто приме-
няются реле с втягивающимся внутрь катушки якорем, к которому
прикреплены подвижные контакты и противодействующая пружина.
При отсутствии тока в обмотке якорь под действием пружины ото-
двинут в одно крайнее ^сложение, его контакты находятся в исход-
ном положении: один аамкиуты, другие разомкнуты. При включе-
нии тока якорь перемещается и переключает контакты.
Существует многочисленная группа так называемых поляризо-
ванных реле; в их магиитопроводах содержатся постоянные магни-
ты, благодаря которым реле реагируют на знак входного напряже-
ния — обладают полярностью. Кроме того, оии отличаются повы-
шенной чувствительностью, т. е. срабатывают от входных сягналои
небольшой мощности (примерно 10-в Вт). Однако вследствие невы-
сокой разрывной мощности контактов (меиее 0,5 А) их применяют
только в цепях малой мощности.
К сравнительно новым конструкциям относятся безъикорные
реле, среди которых — ферриды и герконы. У феррида (рис. 8 2, а)
221
обмотка помещается на ферритовом магнптопроводв, обладающем
прямоугольной петлей гистерезиса; контактные пластины из пермал-
лоя прикреплены к концам подковообразного магиитопровода и на-
правлены навстречу. От воздействия мощного входного импульса
магнитопровод намагничивается, контакты притягиваются и в таком
состоянии остаются и после исчезновения импульса, т. е. реле обла-
дают свойством памяти. Для разъединения контактов в обмотку
необходимо подать сигнал противоположной полярности, но мень-
шей мощности и продолжительности.
Геркон (рис. 8.2, б) состоит из стеклянной герметичной ампулы,
внутри которой укреплены ферромагнитные контактные пластины
с позолоченными концами; обмотка помещена снаружи ампулы.
В исходном состоянии (при отключенной обмотке) контакты разомк-
нуты (или замкнуты). При включении обмотки контактные пласти-
ны намагничиваются и притягиваются, производя коммутацию. При
незначительных габаритных размерах и массе герконы обладают вы-
сокой чувствительностью я надежностью.
Важнейшими параметрами реле считаются чувствительность,
мощность срабатывания, коммутируемая мощность на контактах,
время срабатывания, время отпускания, число пар контактов, на-
дежность, габаритные размеры, масса и др. Мощность срабатывания
отдельных типов реле колеблется от 10-в Вт (высокочувствительные
поляризованные реле) до 1—10 Вт (для реле большой мощности).
Столь же разнообразны реле и по коммутируемой мощности: от
1—5 Вт до нескольких киловатт.
Многообразие типов реле свидетельствует об их многосторонних
применениях, ио, кроме того, им свойственны существенные недо-
статки: сравнительно большое время срабатывания (1—200 мс),
высокая потребляемая мощность, низкая надежность, крупные га-
бариты, масса и др.
Реле изображают на схемах условными символами, как на
рис. 8.1,в. Обмотка представлена прямоугольником, внутри которо-
го проставлен порядковый номер реле и буква К. Контакты замы-
кающиеся (К.1.1), размыкающиеся (К 12) и переключающиеся
(К.1.3) могут быть размещены в различных местах схемы.
8.2.	ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНТАКТНЫЕ РЕЛЕ
В автоматических устройствах часто применяют эле-
менты, называемые преобразователями неэлектрических
параметров в электрические, например, при измерении
влажности, уровня жидкости, давления, освещенности,
временных интервалов, температуры и т.д. Электричес-
кие параметры преобразователей зависят от внешних
условий и отличаются, как правило, малой мощностью,
недостаточной для срабатывания не только электропри-
вода, но и электромеханического реле. В таких случаях
применяют конструкции, в которых сочетаются электрон-
ные усилительные элементы и контактные реле: повы-
шаются чувствительность и коммутируемая мощность,
222
Реле напряжения (комбинированный электронный
контактный усилитель) представлено на рис. 8.3. Реле
предназначено для непрерывного контроля влажности
бумажной ленты в кабельной промышленности.
Поскольку электропроводность материала зависит
от влажности, бумажную ленту 1 пропускают между
плоскими электродами 2, один из которых подключен к
Рис. 8.3. Применение электрон-
ного контактного реле для из-
мерения влажности бумажной
ленты.
Рис. 8.4. Реле для измерения
уровня жидкости с мигающим
световым эффектом.
сетке лампы Л, а второй — к положительному зажиму
стабилизированного источника £с. В анодной цепи лам-
пы установлено контактное реле К, замыкающие кон-
такты которого приводят в действие электропривод су-
шильного агрегата.
Если влажность ленты не превосходит допустимого
значения, ее электрическое сопротивление больше со-
противления резистора R, потенциал сетки мало отлича-
ется от потенциала катода, проводимость невысокая, и
лампа заперта, ток по обмотке реле не проходит, его
контакты разомкнуты.
Повышение влажности приводит к отпиранию лам-
пы (так как возрастает потенциал сетки) и срабатыва-
нию реле; при этом остановится движение ленты или
включится сушильный агрегат. Механические контакты
с устойчивой против коррозии поверхностью позволяют
коммутировать значительную мощность.
Другим примером электронного реле напряжения мо-
жет служить прибор для контроля уровня воды, напри-
мер, в радиаторе автомобильного двигателя. Уровень
воды преобразуется в напряжение электрического сиг-
нала, который воспринимается щупом, смонтированным
223
на определенной высоте радиатора 1 (рис. 8.4). Щуп сое-
динен с базой транзистора VI, входящего в состав элек-
тронного реле. Транзисторы VI и V2 образуют каскад
предварительного усиления; на транзисторе V3 выпол-
нен оконечный каскад. Элементы и С создают поло-
жительную обратную связь. В воде содержится немного
соли, и поэтому она обладает электропроводностью.
Рис. 8.5. Реле времени.
а — схема; б — диаграмма работы; в — выходные импульсы.
В исходном состоянии нормальному уровню воды соответствует
определенная глубина погружения щупа. Положительный потенциал
поступает от корпуса через объемное сопротивление воды на базу
транзистора VI н поддерживает его открытым, с высокой проводи-
мостью КОллекторно-эмиттерного перехода. Преобладание положи-,
тельного потенциала на базе, соответствующее нормальному уровню
воды, достигается подгонкой сопротивлений резисторов й;, Rg.
Транзисторы V2 н V3 закрыты в силу малых приложенных к их
базам напряжений. Сигнальная лампа Л не горит, поскольку ее
цепь разомкнута большим сопротивлением запертого транзистора
V3. Цепь RtC на работу пока существенно не влияет, так как ток
по ней в это время не протекает.
Если уровень воды понизится и щуп обнажится, отрицательный
потенциал через резистор Rg закроет транзистор УГ, изменится рас-
пределение напряжений в базовых цепях транзисторов V2 и V3, и
они отопрутся. Через лампу Л потечет значительный ток, и она
станет светиться. На обкладках конденсатора будет периодически
накапливаться и исчезать заряд со скоростью, зависящей от посто-
янной времени t=(Rs+Rt)C, вследствие чего также периодически
станут отпираться и запираться транзисторы V2, V3 и изменять
яркость свечения лампы, мигание которой скорее привлечет вни-
мание
Реле времени применяются для автоматического
включения нли выключения регулируемых объектов че-
рез заданные интервалы времени. Их действие основано
на свойстве конденсатора постепенно накапливать элек-
трический заряд при зарядке или также постепенно от-
Ш
давать его при разряде. Поскольку изменения напряже-
ния при зарядке и разряде происходят не скачком, цепь
RC создает задержку сигнала во времени.
Возможны различные схемы реализации реле времени, и одна
из простейших представлена иа рис. 8 5, а Времязадающая цепь на
входе транзистора, состоящая из конденсатора С и резистора Ri,
подключена через выключатель S/ н дополнительный резистор R
к стабилизированному источнику Е. Транзистор VI является уси-
лительным элементом для контактного реле К1, ток срабатывания
крторого не должен превышать допустимого тока /доп транзистора.
Желательно, чтобы резистор /?2 состоял из двух резисторов — по-
стоянного и переменного.
В исходном состоянии конденсатор С заряжен до на-
пряжения, примерно равного ЭДС источника £0; тран-
зистор заперт положительным потенциалом на его базе,
реле выключено, выходная цепь разомкнута.
Отсчет времени выдержки начинается с момента от-
ключения источника £с выключателем S1. Конденсатор
разряжается через резистор £2 и базово-эмиттерный пе-
реход транзистора, напряжение между его обкладками
нзменяется по экспоненте
ис~ Е ехр  —j,	(8.1)
где £ — ЭДС стабилизированного источника; t — время
с момента начала разряда; r—RzC — постоянная време-
ни, которую можно регулировать переменным резисто-
ром £2; полагаем RE^>Rz.
Графики изменения напряжения ис при разряде кон-
денсатора доказаны на рис. 8.5,6. Транзистор остается
запертым, пока разряжается конденсатор и напряжение
на базе больше нуля. Только через промежуток време-
ни /] в результате уменьшения Uc и действия источника
Ек база транзистора приобретет отрицательный потен-
циал (через резистор £1); транзистор открывается—на
диаграмме (рис. 8.5, &) показано скачкообразное воз-
растание тока 1э. Реле срабатывает и соединяет контак-
ты выходной цепи. Время выдержки можно подсчитать,
если прологарифмировать выражение (8.1):
t = £2С1п— ,
2 и0 ’
где Uo — напряжение отпирания транзистора.
Задержки времени можно регулировать изменением одного из
параметрон: R?, С или значения логарифма; большие задержки, на-
пример t3 иа рис. 8.5,6, получаются при увеличении R3. Во многих
15-^ 107
225
случаях для определения времени задержки срабатывания реле при-
меняют не процесс разряда конденсатора, а процесс его зарядки.
Упрощенные схемы электронных реле времени наподобие рас-
смотренной обеспечивают диапазон выдержек времени от долей до
десятков секунд с погрешностью до 10 %. Чтобы получить выдерж-
ки повышенной продолжительности и точности, необходимо приме-
нять более сложные конструкции реле с элементами, работающими
в импульсном режиме.
Фотореле применяются в
устройствах для включения
вечером и отключения ут-
ром светильников уличного и
Рис. 8.6. Фотореле для управления
электрическим освещением.
внутреннего освещения. Фотореле также находят широ-
кое применение для контроля различных неэлектричес-
ких параметров на производстве, оии надежно работают
в ограждающих и предохранительных конструкциях.
Известно много схем фотореле, содержащих фото-
приемник лучистой энергии, усилительный элемент, реле
и другие детали.
Рассмотрим устройство и принцип действия фоторе-
ле для отключения освещения, схема которого пред-
ставлена на рис. 8.6. Фоторезистор Rz является преоб-
разователем светового потока в электрический параметр
(напряжение), он установлен на входе двухкаскадного
усилителя с непосредственной связью между транзисто-
рами VI и V3. Нагрузкой выходного каскада служит
обмотка реле К. Замыкающие контакты К1 соединяют
(или разъединяют) цепь с лампами светильников Л1,
Л2. Усилитель получает энергию для работы от выпря-
мителя, состоящего из вентиля V4 и /?С-фильтра; выпря-
митель присоединен к электрической линии. Резистором
Ri регулируют момент включения реле в зависимости от
яркости освещения.
Как и в других конструкциях, надежная продолжительная ра-
бота фотореле обеспечивается согласованным подбором параметрон
элементов. Необходимо, в частности, чтобы ток срабатывания реле
К был меньше максимально допустимого тока транзистора V3.
Фотореле монтируют в герметически закрытом коробе с проз-
рачным окном вблизи фоторезистора Rz и располагают в простран-
стве с Контролируемой освещенностью так, чтобы окно фоторезисто-
ра было направлено в сторону от светильников.
226
Принцип действия. В темноте фоторезнстор обладает
большим электрическим сопротивлением, и транзистор VI практи-
чески заперт, второй транзистор V3 открыт поступающим на его ба-
зу через Rs отрицательным потенциалом. По обмотке реле проходит
ток, и оно замыкает контакты, которыми включаются светильники.
По мере роста освещенности сопротивление фоторезистора па-
дает, на базовом электроде VI возникает отрицательное напряже-
ние, переводящее транзистор в режим насыщения; второй транзи-
стор запирается, реле отпускает свой якорь и выключает светиль-
ники.
Рис. 8.7. Электронное бескон-
тактное фотореле для управле-
ния электрическим освещением:.
Рис. 8.8. Фотореле для контро-
ля размера диаметра детали.
Основными недостатками фотореле данной конструкции счита-
ются невысокая эксплуатационная надежность и малая долговеч-
ность, а также ограниченная разрывная мощность механических
контактов, поэтому их рационально применять для коммутации све-
тильников мощностью не более 1—2 кВт. Увеличение количества
транзисторов и контактных реле не устраняет отмеченных недостат-
ков и, кроме того, делает конструкцию массивной и громоздкой.
Фотореле, схема которого представлена на рис. 8.7,
свободно от перечисленных недостатков. Оно не содер-
жит контактных реле, построено на полупроводниковых
компонентах и предназначено для коммутации освети-
тельных электрических линий большой мощности.
Основным силовым элементом является симистор
(симметричный триодный тиристор) V3. Его рабочие
электроды включены последовательно между одним из
зажимов электрической линии н нагрузкой — лампами
электрических светильников Л1, Л2.......Лп. Управляю-
щий электрод через резистор Т?2 присоединен к точке А
делителя напряжения, подключенного к проводам ли-
нии. В одном плече делителя установлен фотодинистор
15*	227,
(диодный фототиристор) VI анодным выводом в сторо-
ну управляющего электрода симистора. В другом плече
смонтированы последовательно включенные резистор
Ri и стабилитрон V2 (катодом — в сторону фотодини-
стора).
Симистор обладает эквивалентной ВАХ двух тринис-
торов (триодных тиристоров), включенных встречно-па-
раллельно. При соответствующих условиях он пропуска-
ет ток в прямом н обратном направлениях. Для этого
необходимо: а) к рабочим электродам подвести номи-
нальное переменное или постоянное напряжение и б) на
управляющий электрод подать кратковременный или
продолжительный электрический сигнал с полярностью,
соответствующей данному типу тиристоров (на схеме
рис. 8.7 — положительный).
Фотодинистор отличается от динистора тем, что уп-
равляющим сигналом является не ток (напряжение),
а световой поток или высокая температура. Под воздей-
ствием светового потока в четырехслойной структуре
происходит генерация новых носителей заряда, которые
вызывают лавинообразное нарастание тока через струк-
туру. Фотодинистор сочетает в себе качества тиристора
и фотоприемника с их положительными свойствами: вы-
сокое быстродействие, большая нагрузочная способность
при малой управляющей мощности, значительная свето-
вая чувствительность, полная развязка по электричес-
кой цепи в непроводящем состоянии. В данной схеме
применен фотодинистор, а не другой тип фотоприемни-
ка потому, что только он способен обеспечить достаточ-
ную мощность в управляющей цепи симистора. Если
вместо фотодинистора использовать фоторезистор или
фотодиод, то их сигналы потребуется усиливать.
Принцип действия Осветительная электролиния нахо-
дится под напряжением непрерывно. При наступлении темноты фо-
тодиннстор отключается очередной полуволной переменного тока,
его сопротивление становится очень большим. На управляющий
электрод симистора поступают положительные импульсы (относи-
тельно анодного вывода симистора), которые переводят симистор
в проводящее состояние, через него и лампы светильников проходит
ток Симистор будет открыт как при положительных, так и при от-
рицательных значениях синусоидального питающего напряжения,
поскольку в управляющей цепи благодаря конденсатору С поддер-
живается пбложительный потенциал
С возрастанием светового потока фотодинистор скачком откры-
вается н начинает генерировать ЭДС, превышающую напряжение
от стабилитрона и направленную противоположно этому напряже-
нию, т. е, Мйиусом й управляющему электроду Симистора, ЗаряД
228
па конденсаторе С также меняет знак. Симистор полностью запира-
ется после прохождения очередной положительной полуволны на-
пряжения и отключает лампы светильников.
Для конкретной схемы можно использовать компоненты:
Симистор ТС-50: ток номинальный 50 А, напряжение меж-
ду рабочими электродами менее 800 В, ток управляющего электрода
менее 0,4 А, напряжение управляющего электрода менее 10 В.
Фотодииистор ТФ-5: номинальный ток 4,5 А, номинальное
напряжение около 35—220 В, обратный ток 1 мА
Стабилитрон СК-50 43/1000 мощность стабилизации 50 вТ,
напряжение стабилизации 43 В, ток стабилизации 1,0 А.
Резисторы Ri и по 50 Ом, 50 Вт; конденсатор КБГ:
С=2 мкФ, напряжение 100 В.
Еще один вариант фотореле приведен на рис. 8 8. Оно выпол-
няет функцию автоматического контроля размера диаметра обраба-
тываемой на токарном станке детали Измерительная головка, со-
стоящая нз осветителя /, оптической системы и фотоприемника 3,
заранее устанавливается относительно обрабатываемой детали 2
так, чтобы сфокусированный световой луч находился на заданном
расстоянии от центра детали. Обработка детали будет продолжать-
ся до момента, пока луч не осветит катод фотоэлемента 3. Прн до-
стижении определенного размера полный световой поток возбуж-
дает на фотоэлементе напряжение, которое затем усиливается в
усилителе 4 и воздействует иа привод исполнительного механизма
0; исполнительный механизм отводит резец 6 и выключает станок.
Рассмотренные примеры применения реле в устройствах автома-
тики показывают их неограниченные возможности для повышения
производительности и качества труда.
8.3.	ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Логическими элементами называются устройства
для преобразования числовой (дискретной) информации
на основе алгебры логики.
Алгебра логики является одним из разделов мате-
матики. Она основывается на взаимообусловленности
истинных (достоверных) и ложных суждений или вы-
сказываний. Простые суждения представляются элемен-
тарными функциями, состоящими из двух аргументов
(переменных): истинно — ложно либо (За — нет, кото-
рые могут быть обозначены различными условными ма-
тематическими символами. Общепринятыми знаками
считаются 1—для записи истинного иО — для ложного
суждений. Из элементарных логических функций могут
быть составлены сложные логические функции. Число
элементарных функций и их комбинаций определяется
формулой F=22 , где n=0, 1, 2... Так, прн п=0 число
элементарных функций составляет 22° = 21=2: Fi—1 и
/•2=0 (константы 1 и 0),
229
При п=1 множество элементарных функций состоит
из 22=4 комбинаций (00, 01, 10, 11); при п=2 число
функций равно 16 и т. д.
В теории алгебры логики разработаны теоремы, по
которым производятся преобразования логических функ-
ций на основе законов переместительного, сочетательно-
го, инверсии и др.
Двузначные суждения легко реализуются двухпози-
ционными элементами с двумя устойчивыми состояния-
ми — реле, триггерами, логическими элементами и др.
При помощи функций алгебры логики описываются опе-
рации счета в ЭВМ, действие блоков управления многих
автоматических устройств (например, автоматических
манипуляторов); принципы алгебры логики широко при-
меняются в телемеханических системах связи, контроля
и измерений и т. д.
Каждая элементарная логическая функция может
быть технически реализована простыми элементами, к
которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комби-
нации. Из трех-четырех типов простых элементов мож-
но составить сколь угодно сложные логические устрой-
ства, например счетчики импульсов, регистры, суммато-
ры, блоки памяти и т. д.
В логических элементах используются различные
компоненты — интегральные микросхемы, транзисторы,
диоды, лампы, электромеханические реле, комбинации
электронных и магнитных компонент.
Наибольшее распространение получили электронные
логические элементы вследствие таких- преимуществ,
как'высокое быстродействие, надежность, малый расход
энергии.
Элементы НЕ реализуют логическое отрицание—«
инверсию или операцию НЕ. Инверсия обозначает ис-
тинность (достоверность) одного суждения и ложность
другого. Эту операцию записывают: у=х, читается у
есть НЕ х; отрицание нуля равно единице (0=1) и,
наоборот, 1=0.
Транзисторный вариант элемента НЕ показан на рис. 8.9, а.
В исходном состоянии транзистор VI заперт (отсутствие отпираю-
щего напряжения на его базе), что соответствует 1 иа его входе
(высокий потенциал по отношению к потенциалу зажима —Ек);
в этот момент на выходе (коллектор VI) потенциал практически
равен потенциалу зажима —Е^, что соответствует 0. При отрица-
тельном импульсном сигнале на входе (0) транзистор откроется, на
230
выходе появится сигнал 1, т. е. будет выполнена инверсия; элемент
НЕ изменяет полярность входного сигнала (импульс на Выходе име-
ет противоположную полярность).
На схемах элемент НЕ условно изображают так, как показано
на рис. 8 9, б.
Рис. 8 9. Принципиальная схе-
ма элемента НЕ (а) и его ус-
ловное обозначение (б). 
Рис. 8.10. Двухвходовой элемент И.
а — схема; б — условное обозначение,
в — условное обозначение конъюнктора
с инвертором.
Элементы И (конъюнкторы) выполняют логическое
умножение — конъюнкцию. Конъюнкцию записывают в
виде
= Xt Д Ха Д Д Xn = ХхХ2 Хп XjХа .*• Хп.
Эта запись означает: выходной сигнал у равен 1 при
одновременном поступлении сигнала 1 на все входы;
если хотя бы на одном входе сигнал отсутствует, то вы-
ходной сигнал также будет отсутствовать. Для элемента
И, например, с тремя входами это условие записывается
так: 0Д0Д0= 1Д1 Д0 = 1 ДОД1 =0Д 1Д1 = 1 Д0Д0=
ОД 1Д0=0Д0Л 1 = 0 и только 1Д1Д 1 = 1.
Элементы могут иметь один, два и более входов и
один выход. На рис. 8.10, а показан двухвходовый эле-
мент И с последовательно включенными транзисторами
VI и V2. Источник Ес и резисторы Д осуществляют
внешнее смещение транзисторов. Входные сигналы xt и
Х2 поступают на базы транзисторов VI и V2. Благодаря
резистору R3 транзисторы работают в режиме эмиттер-
ного повторителя. Единичный сигнал на выходе может
возникнуть лишь прн синхронном действии отрицатель-
ных импульсов (1) на всех входах. Только в этом слу-
чае выполняется конъюнкция y=Xi/\X2. В отсутствие
231
сигнала хотя бы на одном из входов транзистор оста-
нется запертым и будет разрывать цепь для выходного
сигнала.
На схемах элемента И обозначают так, как показано иа
рис. 8.10, б.
Если нагрузка подключена со стороны коллектора, то выходной
сигнал будет соответствовать конъюнкции с инверсией y=Xi Л х2,
его условный знак" показан на рис. 8.10, в.
Рис. 8.11. Элемент ИЛИ.
с —схема; б, в —знаки условного обозна-
чения.
*2~
х3—
х4—
х5—
л>7—
Рис. 8.12. Условное обо-
значение сложного двух-
ступенчатого элемента
ЗИ—ИЛИ—НЕ.
Элементы ИЛИ (дизъюнкторы) осуществляют логи-
ческое сложение — дизъюнкцию двух и более перемен-
ных. Логическое сложение означает такую связь между
простыми операциями, в результате которой сложное
суждение является истинным при наличии хотя бы од-
ного истинного входного воздействия и, наоборот, лож-
ным, если ложны все входные воздействия. Дизъюнкция
записывается в виде
у = Xi V V V хп =	+ х2 + ... + хп,
В технических устройствах, реализующих дизъюнк-
цию (операцию ИЛИ), сигнал на выходе появляется,
если подан сигнал хотя бы на один вход. Схема элемен-
та ИЛИ, построенная на транзисторах и диодах, показа-
на на рис. 8.11, а.
Элемент имеет три входа, однако их число может быть увели-
чено или уменьшено. Диоды повышают помехозащищенность вход-
ных цепей и улучшают условия коммутации сигналов. Транзисторы
включены по схеме эмиттериого повторителя (резистор Кэ стоит
в цепи эмиттера), Выходной сигнал ие инвертируется, т. е. совпада-
232
ет по фазе с входными сигналами. Однако транзисторы не усилива-
ют сигналы по напряжению. В исходном состоянии транзисторы
заперты положительным напряжением источника смещения £с.
Управляемый объект начнет действовать, если один или несколько
отрицательных ёигиалов из различных контролируемых точек по-
ступит на входы элемента ИЛИ.
Условное обозначение элемента ИЛИ без инвертиро-
вания входных сигналов показано иа рис. 8.11,6, а с инвертирова-
нием (операция ИЛИ—-НЕ) — иа рис. 8.11, в.
Применение одноступенчатых логических элементов, т. е. индиви-
дуальных монтажных сборок, в практических устройствах встречается
редко. Обычно из отдельных типов элементов компонуют двух- и
многоступенчатые усложненные комбинаций элементов для выполне-
ния нескольких элементарных операций: И — ИЛИ, И — ИЛИ — НЕ
и др. В интегральном исполнении изготавливаются отдельные
функциональные узлы например, триггеры, счетчики и т. д.
Условное обозначение одного из двухступенчатых элементов
ЗИ—ИЛИ—НЕ показано иа рис. 8.12; прямоугольник разделен вер-
тикальной линией; три элемента И слева непосредственно примыка-
ют к элементу ИЛИ справа с инвертированием входных сигналов.
Логические элементы в зависимости от вида сигна-
лов делят на потенциальные и импульсные. В потенци-
альных элементах 0 й 1 представляются двумя разными
уровнями электрического напряжения (возможно одной
полярности), а в импульсных — наличием или отсутстви-
ем импульсов. Наиболее распространены элементы по-
тенциального типа.
8.4.	ТРИГГЕРЫ
Триггером называется устройство, состоящее из це-
пей управления и элемента памяти, обладающего двумя
состояниями устойчивого равновесия, скачкообразно пе-
реходящего из одного в другое. Цепи управления преоб-
разуют входную информацию в сигналы для их запоми-
нания и считывания. Независимых входов может быть
один, два и более. Элемент памяти состоит из двух по-
ловин — плеч, в которых одновременно удерживается
два запоминаемых сигнала: один .сигнал соответствует
высокому потенциалу, другой — низкому потенциалу.
Высокий потенциал условно принимают равным единице
и отмечают знаком 1, а низкий потенциал считают нуле-
вым и обозначают 0.
Триггер имеет два выхода: выход с сигналом логиче-
ской единицы часто называют прямым, а с логическим
нулем — обратным или инверсный. Выходные сигналы
могут быть считаны как с одного, так и с двух выходов
одновременно, и в зависимости от типа триггера инфор-
мация при этом разрушается либо coxpaHHeTCHt
233
Триггеры получили широкое распространение. В вычислительной
технике они составляют от 20 до 40 % всего оборудования. Они
применяются также в автоматике, телемеханике, измерительной
технике и т. д.
Триггеры классифицируются по многим признакам,
ио выделяются два из них: по функциональному признаку и по спо-
собу записи информации в элементе памяти. Функциональная клас-
сификация опирается иа виды логический уравнений, описывающих
состояния триггеров в начальный момент и в момент после его пе-
реброса. В соответствии с этой классификацией триггеры подразде-
ляют на триггеры с раздельным запуском (/?5-триггер), со счетным
пуском (Г-триггер), с элементами задержки (D-триггер), универ-
сальные (ZK-триггеры) и т. д.
Способ записи информации характеризуется временными соот-
ношениями прохождения сигналов по цепям триггера; по этому
признаку триггеры подразделяют иа две группы: асинхронный и
тактируемые. В асинхронных триггерах запись ииформации осущест-
вляется непосредственно с поступлением сигнала иа вход, тогда как
в тактируемых триггерах информационные сигналы будут записаны
только при наличии разрешающего тактового импульса.
Изменяя структуру входных цепей и степень их связи с выход-
ными цепями, можно получать триггеры, отличающиеся видом реа-
лизуемой логической функции. Например, для триггера с одним
входом (счетным) и двумя выходами (прямым и инверсным) с ис-
пользованием обратных связей можно получить 25 логических урав-
нений. Многие из иих или имеют чисто формальный характер (их
использовать невозможно) или содержат подобные члены. Лишь
несколько вариантов уравнений пригодны для описания состояний
реальных триггеров.
Триггеры изготавливают иа основе интегральной технологии,
активных (усилительных) и пассивных компонентов. К активным
компонентам относятся транзисторы, электронные лампы, реле и др.,
к пассивным — резисторы, конденсаторы и детали с индуктивными
свойствами.
Принципиальная схема одного из вариантов
триггера показана на рис. 8.13, а. Он называется сим-
метричным, так как все его компоненты подобраны по-
парно с одинаковыми параметрами. Транзисторы VI и
V2 включены по схеме с ОЭ и образуют двухкаскадный
усилитель с перекрестной положительной обратной
связью: коллектор первого транзистора связан с базой
второго, а коллектор второго — с базой первого; связь
осуществляется цепями из резисторов Ri и конденсато-
ров С. Конденсаторы имеют небольшую емкость (100—
200 пФ), но способны форсировать (ускорять) переклю-
чение транзисторов и хранить заряд. Энергия от источ-
ника £к подводится к коллекторам через резисторы 7?к
и к корпусу.
Смещение управляющих сигналов обеспечивается ис-
точником смещения Ес» и резисторами при наличии
234
резистора Иэ и конденсатора Сз можно работать без
источника смещения (резисторы /?2 соединяются с кор-
пусом). Триггеры с внешним источником предпочтитель-
ны во многих случаях, поскольку уменьшается взаимное
влияние при прохождении сигналов. Схемы с автомати-
ческим смещением имеют меньший коэффициент исполь-
зования напряжения источника питания и менее поме-
Рис. 8.13. Принципиальная схема (о) симметричного триггера и диа-
грамма его работы (б).
хоустойчивы, поэтому применяют их в устройствах с
небольшим количеством триггеров. Нагрузка подключа-
ется к коллектору одного или обоих транзисторов.
Входная цепь триггера состоит из разделительного
конденсатора Ср и двух диодов V2, V3, катоды которых
присоединены к коллекторам транзисторов; эту же цепь
можно подключить и к базам в точках ВВ. Триггеры
называются статическими, если их входы непосредствен-
но связаны с источниками управляющих — пусковых —
импульсов; триггеры с реактивными элементами во
входных цепях (А’С-цепи, трансформаторы) называются
динамическими, со счетным входом.
Триггеры можно переключать запиранием открытого
или отпиранием закрытого транзисторов запирающими
или отпирающими импульсами. Более целесообразно ис-
пользовать запирающие импульсы, так как в этом слу-
чае токи базы и коллектора запертого транзистора
ускоренно уменьшаются и он быстрее выходит из режи-
ма насыщения, сокращается время его переброса. Пуско-
вые импульсы можно подавать как со стороны коллек-
235
торов (как показано на рис. 8.12, а), так и в базовые
цепи транзисторов.
Принцип действия симметричного триггера со счетным
входом проследим, пользуясь временными диаграммами его работы
(рис. 8.13,6). В исходном состоянии транзистор VI, допустим, от-
крыт и насыщен, а транзистор V4 заперт совместным действием
источника £с и потенциала коллектора открытого транзистора (че-
рез резистор /?!). В отсутствие управляющих импульсов диоды V2,
V3 закрыты напряжениями разного уровня: диод V2 заперт надеж-
но потенциалом C/06pta«£K, тогда как диод V3 закрыт сравнитель-
но невысоким напряжением Uotsp2^EK ^K/(₽K+/?i) и находится иа
пороге отпирания. Пусковой импульс положительной полярности исч
со счетного входа проходит через диоды V2, V3, резистор Ri, на
какой-то момент закроет оба транзистора; его действие «запомнят»
конденсаторы С: заряд первого увеличится, а второго — уменьшит-
ся. После исчезновения импульса левый конденсатор С, разряжаясь,
вызовет в базовой цепи второго транзистора больший перепад на-
пряжения иБ1 по сравнению с иБ2, и поэтому откроется только
второй транзистор V4, на его коллекторе напряжение «^2 подни-
мется почти до нулевого значения, в нагрузке потечет ток, соответ-
ствующий сигналу 1, а иа выходе транзистора VI возникнет инверс-
ный сигнал 0. Диоды также окажутся запертыми, ио теперь уровни
запирающих напряжений поменяются местами. В этом состоянии
транзисторы могут находиться иеограиичеиио долго, до прихода но-
вого импульса. Следующий запирающий (положительный) импульс
также иа мгновение запрет оба транзистора и перезарядит конден-
саторы, произойдет новый переброс триггера.
Длительность импульса может быть различной; однако если
оиа велика, то детали триггера будут излишне нагреваться и влиять
на процесс переброса; если она мала — не хватит мощности для
переключения усилительного элемента.
Широкое распространение получили триггеры, реали-
зованные в виде комбинаций логических элементов. Ин-
тегральная технология позволила создавать компактные
и надежные триггеры с Цараметрами, наиболее прием-
лемыми в различных практических конструкциях.
На рис. 8.17 (см. далее) представлены структурные
схемы простейших триггеров TTi—ТТ3, состоящих из
элементов И — НЕ и двухступенчатых элементов
2И — ИЛИ — НЕ. Информационные сигналы поступают
раздельно на входы 7? и S. Эти триггеры относятся
к асинхронным триггерам 7?$-типа, которые срабатыва-
ют непосредственно от информационных сигналов. Вто-
рые входы элементов используются для осуществления
перекрестной положительной обратной связи.
При поступлении сигналов 0 на входы S триггеры
срабатывают и на их выходах устанавливаются сигна-
лы: прямой на у (т. е. 1) и инверсный на у (т. е. 0);
236
сигнал 0 на входе R формирует 0 на прямом входе н I
на инверсном.
Условное обозначение триггеров показано иа
рис. 8.14. В левой части указываются типы логических входов (R,
S, Т, D и др.); в правой части сверху стоит буква Т. Слева к пря-
моугольнику подходят линии, изображающие цепи входных сигна-
лов, а справа — линии, изображающие цепи выходных сигналов.
Для статических триггеров линии прямых входных сигналов примы-
кают непосредственно к прямоугольнику, а инверсные — к кружоч-
кам иа сторонах. Для динамических триггеров линии подходят к за-
остренному знаку: у положительных входных сигналов острия иа-

<5
S)
s)
Рис. 8.14. Графические символы, которыми обозначаются различные
типы триггеров.

правлены внутрь прямоугольника (срабатывание происходит при
изменении сигнала от 0 до 1) — рис. 8.14, в, д; у отрицательных сиг-
налов, наоборот, острия направлены из прямоугольника рис. 8.14,г —
срабатывание триггера происходит при изменении сигнала от 1
к 0.
8.5.	СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ
Счетчиком называется структурная сборка ячеек для
размещения разрядов числа считанных электрических
импульсов. Одни из этих ячеек называются ячейками
для младших разрядов числа, другие — для старших.
Счетчики широко применяются в устройствах управле-
ния и других блоках ЭВМ, в преобразователях информа-
ции, в измерительной технике (например, в блоках ото-
бражения информации), в автоматах с числовым управ-
лением и других автоматических устройствах.
Счетчики строятся на основе триггеров и логических
элементов, структурно объединенных в многоустойчивую
схему. Счетчики различаются по многим признакам. По
функциональному признаку их относят к суммирующим,
вычитающим или реверсивным. По виду цепей связи
между ячейками разрядов (в дальнейшем — между раз-
рядами) счетчики подразделяются на счетчики с непо-
средственной связью, счетчики с цепями переноса и
комбинированные. В свою очередь счетчики с непосред-
ственной связью различаются на последовательные, па-
237
раллельные и смешанные. Имеются и другие виды клас-
сификации.
В суммирующем счетчике числа, представленные
импульсами, складываются с теми, которые хранились
в нем. Вычитающие счетчики производят вычитание чис-
ла входных импульсов из начального числа, хранивше-
гося в счетчике. Реверсивные счетчики могут произво-
Рис. 8.15. Трехразрядный триггерный счетчик импульсов,
а — схема; б — условное обозначение счетчика.
дить как сложение, так и вычитание импульсов в
зависимости от знака сигналов. В счетчиках с непосред-
ственной связью не имеется реактивного звена между
входом старшего разряда и информационным выходом
младшего и поэтому старшие разряды управляются уров-
нем сигнала с выхода младшего, тогда как в счетчиках
с переносом имеются реактивные связи, например кон-
денсаторы, и управление производится импульсами.
В комбинированных счетчиках имеются и цепи непосред-
ственной связи и реактивные элементы. И, наконец, в
счетчиках последовательного действия каждый старший
(t-J-l)-fi разряд запускается сигналом с выхода преды-
дущего младшего i-ro разряда, а счетные импульсы исч
поступают на вход младшего разряда. Следует отме-
тить, что счетчики бывают однопроводные, двухпровод-
ные и многопроводные.
Однопроводный счетчик последовательного действия
с цепью переноса импульсов показан на рис. 8.15. Его
емкость — восемь импульсов. Он состоит из трех тригге-
ров (со счетным входом): Tl, Т2 и ТЗ. Первый из них
представлен принципиальной схемой, второй и третий —
условными обозначениями, На рисунке младший разряд
238
находится слева, хотя в практических конструкциях его
всегда располагают крайним справа. Объясняется тем,
что анализ его работы привычнее проводить слева на-
право, а отсчет чисел, наоборот, справа (от старших
разрядов) налево. Каждая ячейка предназначена для
одного разряда двоичного числа. Все триггеры выполнены
по одной и той же схеме, разница заключается лишь в
том, что триггер младшего разряда обладает большим
быстродействием по сравнению с другими триггерами,
и для него применяют высокочастотные компоненты.
Триггеры имеют по две входные цепи — элементы
ИЛИ, подключенные к базам транзисторов. Одна из них
предназначается для счетных импульсов исч, вторая
цепь служит для установки триггеров в исходное поло-
жение Уст «О», т. е. для сброса старых показаний. Пря-
мые выходы с логической единицей младших разрядов
соединены со счетными входами старших разрядов.
Инверсные выходы Q также выводятся. Энергия для
работы счетчика подводится к зажиму —£к и к корпу-
су; на схеме ие показаны цепи смещения.
Принцип действия счетчика основан иа свойстве триг-
геров запоминать иа неограниченное время (пока остается включен-
ным источник питания) введенные в них сигналы (импульсы) иСч.
Перед счетом все триггеры переводятся в исходное состояние
подачей на вход Уст «О», одного запирающего импульса значитель-
ной продолжительности. Левые иа схеме транзисторы запираются,
иа их коллекторах возникают отрицательные потенциалы, соответ-
ствующие 1, а правые — открываются (Q=0). Работу счетчика
удобно проследить по графикам иа рис. 8.16. Первый импульс на
счетном входе Ti перебрасывает этот триггер в другое устойчивое
состояние: транзистор VI отпирается, a V5 — закрывается, иа его
выходе появляется сигнал Q=l. Бросок положительного потенциа-
ла с его коллектора не изменяет состояния триггера Т3, так как
импульс изменяется от —1 к 0. После второго импульса транзистор
V5 открывается, ио теперь на его выходе возникает, отрицательный
потенциал, которым перебрасывается второй триггер Т2: запирается
его левый транзистор, открывается правый. Третий импульс перево-
дит в проводящее состояние левый транзистор триггера Т\\ закры-
вающийся при этом транзистор V5 ие влияет на состояние триггера
Т3 (так как изменяющийся положительный потенциал иа его кол-
лекторе запирает еще более левый транзистор триггера Т3). Четвер-
тый импульс перебрасывает и первый и второй триггеры. Триггер Т3
срабатывает потому, что на его входе возникает отрицательный
импульс от уменьшающегося напряжения на выходе триггера Т|.
К этому моменту иа выходе второго триггера Т3 был нулевой по-
тенциал; при опрокидывании появляется всплеск отрицательного
напряжения, от которого срабатывает и третий триггер Та. Если
установить индикаторные ламиы иа выходах триггеров, разместив
лампу старшего разряда слева, а младшего — справа, то они зафнн-
239
сируют состояние 100, т. е. лампа третьего триггера светится, а
лампы первого и второго — не светятся, что отражает четыре зафик-
U-C4
Г,
Иг
сироваииых импульса.
Пятый, шестой н седьмой импульсы осуществят последующие
срабатывания первого (3 раза) и второго (1 раз) триггеров. После
седьмого импульса индикаторы высветят состояние 111 —все лампы
светятся. Восьмой импульс перебросит все три триггера, причем тре-
тий триггер ТЗ выдаст отрицательный импульс для воздействия иа
следующий, старший разряд.
Из анализа работы счетчика
выясняется еще одно важное
свойство: он делит частоту вход-
ных импульсов. Так, одна триг-
герная ячейка делит частоту на
2, два триггера — иа 4 и т. д.
Счетчик, состоящий из п последо-
вательно соединенных ячеек, делит
1 2 3 i S 6 ? 6 i
Чг
х3
Рис. 8.16. Прохождение сигна-
лов через триггеры счетчика.
частоту в 2П раз. Графики наглядно иллюстрируют способность
счетчика импульсов делить частоту. На практике часто используют
и это свойство.
Вычитающие счетчики (их еще называют счетчиками
обратного счета) отличаются от суммирующих тем, что
счетные входы каждого из последующих триггеров при-
соединяются не к прямому выходу предыдущего тригге-
ра, а к инверсному Q. Вторая особенность состоит в
том, что в исходном состоянии все разряды или часть
разрядов заполняется не нулями, а единицами уменьша-
емого числа. При поступлении на вход импульсов, кото-
рые надо вычесть из заранее установленного числа,
триггеры, начиная с первого, последовательно срабаты-
вают и уменьшают установленное число.
Реверсивный счетчик решает задачу фиксирования
разности двух последовательностей импульсов — прямой
и обратной; одна последовательность отличается от
другой фазой сигнала. Например, первая последователь-
ность представляется сигналами 1, вторая—0. Ревер-
сивный счетчик является комбинацией суммирующего и
вычитающего счетчиков. В его конструкции содержится
блок управления, состоящий, например, из триггера уп-
равления и логических элементов; на его прямой и ин-
версный входы поступают отрицательные и положитель-
ные импульсы. Выходы управляющего триггера соедиие-
240
ны с логическими элементами, которые совместно с
разрядными триггерами образуют цепи сложения или
вычитания входных импульсов.
Счетчик из трех ячеек с двухпроводной связью меж-
ду разрядами приведен на рис. 8.17. Каждая его ячейка
(разряд двоичного числа) состоит из двух триггеров—
основного и вспомогательного, а триггеры сформирова-
ны из логических элементов 2И—ИЛИ—НЕ. Ячейка
Рис. 8.17. Триггерный счетчик с двухпроводной связью между раз-
рядами.
младшего разряда представлена функциональной схе-
мой, две ячейки старших разрядов—условными обозна-
чениями двухступенчатых триггеров ТТ, которыми Они
изображаются на функциональных схемах.
Основной триггер (два элемента слева) совместно со
вспомогательным триггером (два других элемента спра-
ва) участвует в формировании и хранении информаци-
онных сигналов: на _одном выходе (прямом Q) 1, а иа
другом (инверсном Q) 0. Триггеры имеют по два входа:
один для счетных импульсов, другой — для разрешаю-
щих— тактирующих. Связь между разрядами счетчика
организована таким образом, что прямой и инверсный
выходы (Q и Q) вспомогательного триггера Т1 подклю-
чены к тактирующим входам и вспомогательного и ос-
новного триггеров старшего разряда.
Принцип действия счетчика заключается в последо-
вательном заполнении триггерных ячеек информационными сигнала-
ми, причем упорядоченное накопление их обеспечивается синхрон-
ным переключением входных и выходных цепей элементов «летчика.
В исходном состоянии иа верхних — прямых — выходах Q вспомо-
гательных триггеров записано число ООО. Первый счетный импульс
16- 107	241
«оч установит младший разряд основного триггера в состояние 1.
В этот же момент откроется элемент И основного триггера второго
разряда Q2 и подготовит цепь для прохождения очередного, импуль-
са; первый импульс ие может пройти_ далее по цепи, поскольку за-
крыт элемент И основного триггера Qi = 0. По окончании действия
следующего, очередного счетного импульса младший (первый) раз-
ряд установится в 0. Элемент И вспомогательного триггера второго
разряда открыт, а основного триггера— по-прежнему закрыт, и вто-
рой разряд запомнит 1, т. е. в счетчике зафиксируется число 010.
При этом уровень выхода Q2 подготовит к переключению в состоя-
ние 1 следующий разряд и т. д.
Надежная работа счетчика возможна только при условии запре-
щения одновременного появления сигнала 1 на обеих линиях связи,
т. е. комбинация сигналов Q=Q=1 является запрещенной.
На графических символах, которыми обозначаются
счетчики (см. рис. 8.15,6) вводятся следующие обозначения: Ст —
счетчик импульсов, R — вход установки нуля, Т — входы тактирую-
щих импульсов, С — цепь разрешения записи, V — управляющие
входы разрядов, Q и Q — прямой и инверсный выходы.
8.6.	ШИФРАТОРЫ И ДЕШИФРАТОРЫ
Шифратором называется устройство, преобразующее
цифровые коды входных чисел в сигналы для выполне-
ния логических операций. Устройство, осуществляющее
обратное преобразование сигналов в код в виде, удоб-
ном для отображения на выходе, называется дешифра-
тором.. Кодом числа, знака, символа называется комби-
нация электрических сигналов, признаки которой (фаза,
частота и т. д.) однозначно соответствуют данному чис-
лу, знаку, символу.
Шифраторы и дешифраторы широко применяются в
устройствах ввода и вывода информации ЭВМ и в дру-
гих ее блоках, в системах телеуправления и телесигна-
лизации; они являются важнейшими элементами в элек-
тронных измерительных приборах дискретного действия.
Шифраторы и дешифраторы выполняют, как прави-
ло, в виде комбинации триггеров, логических элементов
и пассивных радиокомпонентов. Широкое распростране-
ние получили шифраторы и дешифраторы в интеграль-
ном исполнении. Схемы шифраторов и дешифраторов
различаются принципом построения, назначением, тех-
нико-экономическими показателями, быстродействием *
н др.
Шифраторы формируют код электрического сигнала,
состоящий из совокупности импульсов и импульсных при-
242
знаков. Шифраторы подразделяют на шифраторы по-
лярности импульсов, полярности и длительности импуль-
сов. В отдельную группу входят шифраторы комбинаци-
онные, посредством которых осуществляется преобразо-
вание информации из одной формы в другую: двоичной
в десятичную, двоичной в восьмеричную, десятичной в
двоичную и т. д. Преобразования сигналов базируются
Рис. 8.18. Принципиальная схема шифратора (а) и его условное обо-
значение (б).
иа положениях алгебры логики, и поэтому шифраторы
дешифраторы состоят из простых логических элементов
И, ИЛИ, НЕ и их комбинаций.
Шифратор, преобразующий код десятичного числа в
код двоичного числа, показан на рис. 8.18. Он выполнен
в виде прямоугольной матрицы с горизонтальными и
вертикальными проводниками (шинами) и соединяющи-
ми их в определенных точках диодами. По такой схеме,
например, может быть собран клавишный механизм для
пробивок перфокарт. Входами шифратора являются
кнопки Ко—Ко ввода цифр десятичного числа разряда
единиц. Выходами служат вертикальные проводники,
соединенные через резисторы Ri—R$ с источником энер-
гии Е и корпусом. Диоды каждой строки (горизонталь-
16*
243
кого проводника)' в совокупности с резисторами образу-
ют элементы И.
Принцип действия заключается в преобразовании деся-
тичных цифр числа в двоичные сигналы — комбинации нулей и еди-
ниц, т. е. в коды двоичных чисел. Код двоичного числа формируется
из электрических сигналов, соответствующих сумме слагаемых
ЛГ = 2 2",
о
где N — двоичное число; п — разряд числа. Так, например, цифре 1
соответствует двоичный код 0-2’4-0-224-0-224-0-214-1-2°, или просто
0001, цифре 2 соответствует 0010; код цифры 7 имеет вид 0-2’4-
4-1-2*4-1-214-1-2°, или просто 0111 и т. д.
При нажатии соответствующей кнопки-клавиши резисторио-
диодный элемент И формирует электрический сигнал — код двоич-
ного числа. Проследим процесс прохождения тока при иажатин не-
которых кнопок.
К3: корпус—Кз—горизонтальная шина—диоды—вертикальные
шины 2’, 22 — резисторы—зажим (—Е); на выходе шин 2* и 2° со-
храняется высокий потенциал 1 (—£); цифре 3 соответствует код
ООП.
К$: корпус—кнопка —открытые диоды вертикальных шин 2’,
21—резисторы—зажим источника (—Е). Цифре 5 соответствует
код 0101.
Условное обозначение шифратора показано на
рис. 8.18,6. Входы (линии слева) помечают десятичными цифрами,
выходы (линии справа от прямоугольника)—двоичными кодовыми
эквивалентами; в верхней средней части прямоугольника стоят бук-
вы CD (кодер-шифратор).
Дешифраторы обеспечивают расшифровку закодиро-
ванных двоичных чисел в код другой системы счисления,
например десятичной. Дешифраторы применяются в
устройствах вывода информации для распознавания
принятых кодовых комбинаций и последующего отобра-
жения на индикаторах. В измерительных приборах и
вычислительных машинах дешифраторы преобразуют
-двоичные эквиваленты в числа удобной для восприятия
формы записи — десятичной.
Структурная схема дешифратора пред-
ставлена на рис. 8.19. Он состоит из матрицы с диодны-
ми элементами И, входные шины которой присоединены
к прямым и инверсным выходам триггеров. Резисторы
R и г обладают сопротивлениями, значительно больши-
ми, чем сопротивления диодов; входные шины — гори-
зонтальные, выходные — вертикальные; триггеры могут
быть частью счетного устройства, например счетчика
импульсов. Выходные шины 0—9 (разряд единиц) могут
244
быть подключены к индикаторам или цифропечатающей
машине. Количество входных шин для прямых и инвер-
тированных сигналов равно 2п и выходных — 2П, где
п — разрядность двоичного числа.
Принцип действия дешифратора основан иа преоб-
разовании эквивалента двоичного числа в десятичное соответствую-
щими комбинациями совпадающих по времени электрических сигна-
лов, поступающих из триггеров иа коиъюикторы выходных цепей
(вертикальные шины) матрицы. Например, код двоичного числа в
виде серии импульсов, поступивших на выходы триггеров, 1001 =
= 1-2’+0-224-0-214-1-2° преобразуется в десятичную цифру 9. Сиг-
налы проходят по этой шине беспрепятственно, так как все диоды,
соединяющие ее с выходами триггеров, отперты положительным на-
пряжением по цепи: корпус—резистор R, г — диод — прямая щииа
триггера 2’. Высокий потенциал с прямого выхода триггера не
шунтируется, и 1 проходит иа выход; у триггеров Т» и Г2 высоким
потенциалом обладают инверсные выходы с 0, и диоды их также
не шунтируют; триггер 1\ выдает сигнал 1 на прямом выходе, Я
диод не замыкает его накоротко. В то же время на всех других
шинах 0—8 сигналы с прямых и обратных выходов триггеров не
проходят, так как в их цепях имеется хотя бы по одному шунтирую-
щему диоду. Например, шину 3 замыкают сразу два диода через
инверсный выход Т4 ищрямой выход Г2; высокий потенциал +Ё от
корпуса поступает через резисторы /? иа выходы триггеров с низ-
ким потенциалом —Е. На резисторах иевключенных шин отмечается
падение напряжения Ut = E—IRi, где Rt — сопротивление резисто-
ра t-й шины (« = 0,1, 2...).
По такому же принципу можно построить дешифратор и на
большее число команд; разница будет только в том, что потребует-
ся больше диодов и триггеров.
245
Число диодных схем в дешифраторе равно количеству выходов,
а диодов в каждой схеме — соответственно количеству разрядов
двоичных комбинаций. Общее число диодов Nn в дешифраторе
e=nN=n2n. Схемы дешифраторов в зависимости от количества вхо-
дов, кодовых комбинаций и других показателей подразделяют на
матричные, прямоугольные (ступенчатые) и пирамидальные; приме-
нение рациональной конструкции дешифратора позволяет сэкономить
много диодов,
ние дешифратора.
Рис. 8.21. Условное обозначе-
Рис. 8.20. Вариант простейшего
дешифратора в интегральном
исполнении.
Структурная схема дешифратора в
интегральном исполнении типа К1ИД202 из серии
К120 показана на рис. 8.20. Он состоит из четырех эле-
ментов 2ИЛИ—НЕ и элемента НЕ, реализованных на
полевых МОП-транзисторах. Он имеет форму прямо-
угольного стеклянного корпуса с шестью входными вы-
водами (xi—xt), пятью выходными и выводами для под-
ключения источников энергии; размеры корпуса 10Х
Х6Х2 мм.
Условное изображение дешифратора показано на
рис. 8.21. Его прямые и инверсные входы С левой стороны обозначе-
ны двоичными числами разрядов, как я выходы соответствующих
триггеров, к которым он подключается. Выходы дешифратора (линии
с правой стороны) отмечены отображаемыми десятичными цифрами.
8.7.	РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ
Распределителем сигналов называется устройство,
поочередно подключающее различные электрические це-
пи к блокам контроля, управления, индикации и т. д.
Такая необходимость часто встречается на производстве
с автоматическим циклом технологических процессов с
246
выполнением операций в определенной временной после-
довательности. Распределители импульсов осуществля-
ют важную функцию в телемеханических системах уп-
равления, контроля и связи. В измерительной технике
вместо распределителей сигналов применяют аналогич-
ные по устройству переключатели каналов — коммута-
торы, которые поочередно подключают к отсчетным
устройствам цепи с различными измеряемыми парамет-
рами. Распределители сигналов используют также для
промежуточного преобразования информации в вычисли-
тельной технике.
Исходя из назначения, распределители сигналов
должны работать по принципу шаговых устройств, т. е.
на каждом такте (шаге) работы должен срабатывать
только один — очередной — элемент распределителя с
подключением очередной электрической цепи.
Известны контактные и бесконтактные распредели-
тели сигналов. В контактных распределителях содер-
жатся электромеханические реле, шаговые электромаг-
нитные механизмы и электрические двигатели, которые
переключают цепи перемещением подвижных механиче-
ских контактов. Они пригодны для небольшого числа
цепей (не более 20—30) в устройствах с малым быстро-
действием, без ограничений по массе и габаритным раз-
мерам, надежности и стоимости.
Группу бесконтактных составляют распределители
сигналов на магнитных (ферритовых) элементах и дио-
дах, ферротранзисториые распределители, распредели-
тели на транзисторах. Наибольшее распространение
получают распределители в интегральном исполнении,
максимально удовлетворяющие техническим требова-
ниям.
Структурная схема одного из вариантов распределителя сигна-
лов показана на рис. 8.22. Распределитель предназначается для по-
очередного подключения измерительных цепей к информационному
табло. Он состоит нз входного блока 1, сборки элементов И 2, бло-
ка выхода 3, счетчика импульсов Ст и генератора импульсов Г.
Входными сигналами могут быть напряжения в различных точ-
ках схемы прибора. В качестве входных сигналов часто используют
электрические напряжения с преобразователей неэлектрических пара-
метров — давления, влажности, температуры, скорости и др. Во вход-
ном блоке установлены элементы предварительного усиления (ослаб-
ления) сигналов, промежуточного преобразования по форме и кбр-
ректировки от помех. Такими элементами являются потенциометры,
усилители, фильтры, количество которых соответствует числу кана-
лов — входных цепей. Типы элементов определяются видом электрйче.
ских сигналов.
247
Сборка элементов И поочередно пропускает по од-
ному из серии входных сигналов на выход. В сборке
имеется элемент для каждого канала; логика элементов
может быть диодной, транзисторной, релейной и т. д.,
удовлетворяющей техническим требованиям. Блок вы-
хода содержит оконечные усилители с регуляторами
уровней выходного напряжения и источник напряжений
для смещения сигналов по
высоте относительно друг
друга.
Счетчик импульсов Ст
обеспечивает очередность
подключения входных це-
пей, он собран из счетных
триггеров, соединенных по
кольцевой схеме. Генерато-
ром импульсов является
Рис. 8.22. Схема распределите-
ля сигналов — коммутатора (а)
и его условное обозначение( б).
мультивибратор, частота переключений которого поддер-
живается стабильной.
Распределитель сигналов (такие распределители час-
то называют коммутаторами) оформлен в виде отдель-
ного функционального блока или является составной
частью прибора.
Принцип действия. Входные сигналы поступают из от-
дельных точек разветвленной электрической цепи или от преобразова-
телей — датчиков, установленных в различных точках контролируемо-
го оборудования, часто удаленных. Сигналы обычно существенно раз-
личаются по форме, уровню и по другим признакам; они предвари-
тельно усиливаются по мощности и подвергаются, если надо, преоб-
разованию по форме, после чего каждый из них проходит на один из
входов элемента И и «ждет», пока на второй вход элемента И по-
ступит разрешающий сигнал от счетчика. Счетчик срабатывает от
тактовых импульсов генератора и обеспечивает очередность совпаде-
ния сигналов иа элементах И в строго заданной последовательности
работы. Возможны три режима работы распределителя: а) частота
импульсов счетчика меньше частоты следования сигналов; б) частота
счетных импульсов больше частоты входных сигналов и в) равенство
частот. В первом случае через элементы И проходят «пачки» перио-
дов входных сигналов, во втором — отдельные части периодов и в
третьем — либо целые периоды, либо их части. Результатом работы
распределителя является дробление входных сигналов иа части и
248
представление их в виде графиков из штрихов, что иногда кажется
удобным. Однако вследствие значительной инерционности устройств
отсчета сигналы приобретают вид непрерывных.
Обозначение коммутаторов иа схемах показано иа
рис. 8.22, б. Напряжение смещения подведено к верхней, а корпус —
к нижней стороне.
8.8.	РЕГИСТРЫ
Регистр — это сборка триггерных и логических эле-
ментов, обладающая свойством принимать, хранить и по
команде выдавать числовые коды. Регистры использу-
ются в большом количестве в ЭВМ для непродолжитель-
ного хранения информации, подлежащей оперативной
обработке; из регистров часто формируют распредели-
тели сигналов и счетчики импульсов в блоках автома-
тических систем. Регистры применяют также для комму-
тации цепей в измерительно-информационной технике.
Регистры подразделяются на регистры параллельного
и последовательного действия или накопительные и сдви-
гающие регистры. Накопительные регистры могут толь-
ко принимать, запоминать и выдавать числовую инфор-
мацию, тогда как сдвигающие регистры позволяют осу-
ществить сдвиг чисел влево — вправо, что равносильно
изменению порядка их величины.
Типичная схема накопительного регистра для прие-
ма и хранения трехразрядного двоичного числа показана
на рис. 8.23, а. Он состоит из трех триггеров с прямыми
входами и шести элементов И: И1, ИЗ, И5 устайовлены
на входах триггеров и Й2, И4, И6 — на прямых выходах
триггеров. Входы триггеров R присоединены к шине ус-
тановки в исходное состояние Уст «О», Йа первые входы
249
элементов И xi, х2 и х3 поступают коды чисел, подлежа-
щие записи; их вторые входы подключены к шине гене-
ратора импульсов записи иа. Считывание информации
производится с выходов z/], у2 и z/з конъюнкторов.
Принцип действия. Перед записью в триггерах стирается
старая информация; для этого подают по шнне Уст «О» импульс
сброса на входы R, и все триггеры устанавливаются в исходное со-
стояние: на их прямых выходах возникает низкий потенциал 0, а на
инверсных—1. Запись чисел происходит при условиях: 1) синхрон-
ное—одновременное — поступление сигналов на входы Xi, х2 и
н 2) наличие импульса записи и3. Сигналы высокого потенциала, со-
ответствующие 1, перебросят триггеры в состояние 1 на прямых вы-
ходах; триггеры разрядов числа с низким потенциалом (0) останутся
в исходном состоянии. Например, при записи двоичного числа 101
(десятичное 5) триггеры Л и Ts перебросятся, а триггер Т2 останет-
си в прежнем состоянии; при записи числа 111 (десятичное 7) сра-
ботают все триггеры. С записанным числом триггеры могут нахо-
диться неограниченно долго, прн этом на их прямых выходах не-
прерывно существуют потенциалы, соответствующие записанным сиг-
налам-числам; эти же сигналы имеются и на одном из входов эле-
ментов И.
Считывание числа производится также параллельным кодом —
одновременно по всем разрядам. Для считывания необходимо по-
дать йо шнне «с импульс считывания информации ис. Он поступит
на вторые входы элементов И2, И4 и И6, откроет их, и иа выходах
yi, уа и уз возникнет код записанного в регистре числа без его раз-
рушения. Увеличивая число ячеек (один триггер и два конъюнктора),
можно построить регистр для сколь угодно большого числа.
На практике часто требуется считывать число не
только с прямых выходов, как в рассмотренном приме-
ре, но и с инверсных. Это станет возможным, если в
каждую ячейку добавить еще по одному двухвходовому
конъюнктору, первые входы которых соединяются с ин-
версными выходами триггеров, а вторые входы — с дру-
гой шиной считывания информации ис2 (на рисунке не
показана).
Сдвигающий регистр можно получить, если ячейки
параллельного регистра (рис. 8.23, а) соединить после-
довательно: выход старшего разряда подключить ко вхо-
ду младшего, т. е. коллектор правого триггера предыду-
щей ячейки связать со счетным входом последующей,
причем связь должна содержать элемент задержки им-
пульсов во времени. Элемент задержки реализуется ли-
бо с помощью цепей, содержащих катушку индуктивно-
сти и конденсатор, либо на основе устройств с материа-
лами, обладающими инерцией электропроводности (на-
пример, ртути). Выход сдвигающего регистра и его яче-
ек присоединяют в зависимости от применения к реша-
250
ющим блокам или к электрическим приводам техноло-
гических объектов.
Если с заданной частотой подавать запускающие им-
пульсы на вход Xi и шины и3 и ис, то ячейки регистра
будут одна за другой перебрасываться и поочередно
включать управляемые цепи.
Условное изображение регистра приведено на
РИС. 8.23, б. В средней части под буквами RG одно- или двусторон-
няя стрелка означает, что регистр — сдвигающий в одну или в обе
стороны. Слева от примоугольиика показаны входные цепи, спра-
ва — выходные.
Контрольные вопросы
1.	Приведите примеры эффективного использования автоматиче-
ских устройств в народном хозяйстве.
2.	Расскажите об устройстве, принципе работы, характеристиках
и применениях электромеханических (контактных) реле.
3.	Перечислите достоинства электронных (контактных и бескон-
тактных) релейных устройств, применяемых для измерении влажно-
сти, уровня жидкости, временных интервалов, единиц длины и дру-
гих физических величии; назовите их принципиальные схемы, графи-
ки работы н формулы для определения рабочих параметров.
4.	На основе каких принципов построены логические элементы?
Нарисуйте принципиальные схемы н знаки условного обозначения
элементов И, ИЛИ, НЕ.
5.	Как устроен и рабогает симметричный триггер? Объясните
роль активных и пассивных элементов триггера и временные диаг-
раммы его работы.
6.	Приведите классификацию триггеров, укажите важнейшие осо-
бенности отдельных типов триггеров.
7.	Нарисуйте одну из схем счетчика импульсов и расскажите о
прохождении сигналов через его элементы.
8.	Дли чего служат шифраторы и дешифраторы? Проследите по-
рядок формирования сигналов.
9.	Назовите примеры использования распределителей сигналов;
пользуясь схемой н графиками, расскажите о принципе работы элек-
тронного коммутатора.
10.	Назовите типы регистров и их применение; объясните схему
прохождения сигналов в регистре параллельного действия,
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Легкие и компактные электронные узлы и блоки с
высоким коэффициентом использования мощности, на-
дежные в эксплуатации, сравнительно недорогие явля-
ются важнейшей составной частью кибернетических, ра-
251
диотехнических, автоматических и других систем и уст-
ройств. Постоянно возрастающие требования к радио-
электронной аппаратуре (РЭА) удовлетворяются благо-
даря микроминиатюризации устройств.
Наиболее простой способ миниатюризации в электро-
нике— уплотненный монтаж элементов, создание моду-
лей или микромодулей различной формы и конфигура-
ции, состоящих из каскадов и выполняющих отдельные
функции. Модульные и микромодульные конструкции
имеют плотность монтажа до 50 элементов в 1 см3; они
не нашли широкого применения из-за высокой стоимо-
сти.
На основе достижений физики, химии, металлургии
и других отраслей стало возможным создавать интег-
ральные микросхемы со степенью интеграции до несколь-
ких тысяч элементов на 1 мм2. Степенью интеграции
называют количество элементов в единице объема или
на единице поверхности активного вещества. Микросхе-
мы с количеством элементов 103 и более часто называ-
ют микросхемами с большой степенью интеграций
(БИС).
Интегральной микросхемой (ИМС) называется мик-
роэлектронное изделие, состоящее из комплекса элек-
трически связанных активных и пассивных элементов,
объединенных в кристалле или на общей подложке в ви-
де функционально завершенного узла. Технология изго-
товления, при которой совмещаются процессы изготов-
ления электрорадиодеталей и соединений между ними,
называется интегральной. Микросхемы разделяют по
технологическим методам их изготовления на полупро-
водниковые, пленочные, совмещенные и гибридные.
В полупроводниковом кристалле или на диэлектри-
ческой подложке размещают активные и пассивные эле-
менты, соединяют их между собой проводниками и изо-
лирующими прослойками. К активным элементам отно-
сятся транзисторы и диоды; пассивными являются рези-
сторы, конденсаторы и элементы индуктивности. Про-
водниками часто являются пленочные полоски из алю-
миния, а также благородных металлов и их сплавов
(Al, Au, Ag, Pt и др.). Широко распространены как мик-
росхемы с элементами, размещенными в объеме или на
поверхности, так и микросхемы, часть элементов которых
являются навесными; навесные элементы называются
компонентами.
252
f.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ, ПЛЕНОЧНЫЕ И ГИБРИДНЫЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Полупроводниковые ИМС выполняются в объеме мо-
но- или поликристаллического полупроводника с ис-
'пользованием его поверхности. Активные и пассивные
элементы занимают локальные (местные) области, раз-
деленные изолирующими прослойками, через которые
проведены электрические соединения. Полупроводнико-
вые ИМС имеют наиболее высокую степень интегра-
ции: плотность элементов достигает нескольких тысяч в
1 см3; они обладают максимальной надежностью, так
как количество соединений в них сведено к минимуму.
^Предпочтительным материалом для полупроводниковых
> ИМС является кремний, так как он обладает хорошими
технологическими и рабочими характеристиками и удов-
летворительной стабильностью параметров; его окисная
пленка SiOa отличается защитными (изолирующими)
свойствами.
Технология производства полупроводниковых (кремниевых)
ИМС принципиально не отличается от традиционной технологии из-
готовления дискретных компонентов — транзисторов, диодов и дру-
гих полупроводниковых приборов. Отличие состоит в том, что все
активные и пассивные элементы ИМС, локализованные в едином
кристалле, взаимно электрически изолированы и, кроме того, соеди-
нены между собой в зависимости от функционального назначения.
Исходным материалом служит пластина из высоко-
омного кремния п- или p-типа с удельным сопротивле-
нием рагбЧ-Ю Ом-см толщиной 0,15—0,2 мм, диаметром
30—60 мм; пластина является общей подложкой всей
ИМС. Для создания в ней структур элементов схемы —
транзисторов, резисторов и др. — применяют планарную
с тройной диффузией и эпитаксиально-планарную техно-
логию, фотолитографию, химическое травление и другие
методы обработки. Технологический процесс состоит из
более чем 100 операций, как правило, автоматизирован
и управляется при помощи ЭВМ.
Объемный участок полупроводниковой ИМС пока-
зан на рнс. 9.1. В толще монокристаллической пласти-
ны 1 вытравлены углубления (карманы) 4, поверхность
которых покрыта изолирующим слоем окиси 6. В углуб-
лении 4 осажден слой кремния n-типа толщиной До
50 мкм. После шлифовки, полировки, травления и про-
мывки диффузионным методом формируют области
р-типа 2 и высоколегированные области с хорошей элек-
253
тропроводностью 3 и 5. Рассмотрим некоторые опера-
ции.
Диффузией Называется введение легирующих при-
месей третьей или пятой группы элемейтов таблицы
Менделеева в чистый полупроводниковый кристалл.
Диффузия — проникновение атомов примеси — выпол-
няется при контактировании легирующих примесей —
жидких, газообразных или твердых диффузантов с по-
Рио 9 1. Объемный участок инте-
гральной микросхемы с завершен-
ными технологическими операция-
ми.
верхностью кристалла; при этом акцепторные примеси
(In, Ga, Al, В) диффундируют в десятки раз быстрее и
глубже, чем доноры (As, Р, Sb). Диффузия применяет-
ся для создания р-п переходов. От количества внедрен-
ных примесей зависит электропроводность участков кри-
сталла. Глубина диффузионного слоя не превышает 3—
5 мкм. Различие концентрации примесных атомов в силь-
нолегированных областях определяет сопротивление уча-
стков кристалла /?, которое также зависйт от удельного
сопротивления р каждого участка длиной I и шириной
W.
R — pl/w.
Окисление — получение окисной пленки SiOa на по-
верхности участка кристалла осуществляется воздейст-
вием перегретого насыщенного кислородом водяного па-
ра на участки кристалла при температуре около 1000° С.
Толщина пленки и скорость ее наращивания зависят от
концентрации кислорода в паровой фазе и температу-
ры. Толщина обычно не превышает 1,5 мкм.
Фотолитография предшествует химическому травле-
нию участков кристалла. Фотолитография состоит в на-
несении защитной пасты — фоторезиста на поверхность
кристалла, подготовке фотомасок-трафаретов и их сов-
мещении с кристаллами, облучении ультрафиолетовыми
лучами и последующей химической обработке, промыв-
254
ке и сушке. Метод фотолитографии обладает разреша-
ющей способностью в 200 и более линий на миллиметр,
что позволяет формировать элементы с размерами до
2 мкм.
Химическое травление кремния производится в жид-
кой или парообразной плавиковой кислоте, в смесях раз-
личных кислот или щелочей в присутствии стабилизиру-
ющих реагентов.
Эпитаксия — процесс осаждения атомарного кремния
на монокристаллической кремниевой подложке, при ко-
тором полученная пленка служит продолжением струк-
туры основания. Обычно выполняют осаждение легиро-
ванной пленки одной структуры (например, n-типа) на
легированное основание другой структуры p-типа. При
различных типах электропроводности на границе плен-
ки и основания возникает р-п переход. В эпитаксиаль-
но-планарной структуре пленка достигает толщины до
25 мкм, и в ней размещаются все элементы ИС; пласти-
на же толщиной до 200 мкм является конструктивным
элементом. Полупроводниковые ИС изготовляют груп-
повым методом, при котором на одной пластине диамет-
ром до 60 мм одновременно создается 300—500 струк-
тур — набор элементов и межсоединений; параллельно
обрабатывается партия в 20—30 пластин. Затем кри-
сталл разрезают на части, которые монтируют в корпу-
сах.
Пленочные ИС подразделяются на тонко- и толсто-
пленочные. Основой тонкопленочной ИС является под-
ложка из сапфира, керамики, стекла или другого ди-
электрического материала, на которой формируются ак-
тивные и пассивные элементы, изоляционные прослойки
и соединительные проводники в виде тонких металличе-
ских, полупроводниковых или диэлектрических пленок
толщиной до 1 мкм. Пленки наносятся на подложку на-
пылением через трафарет-маску. Используются различ-
ные методы напыления. Термическое напыление в ваку-
уме основано на том, что температура испарения неко-
торых материалов ниже температуры плавления. Таким
свойством обладают, например, хром (/Пл«1800, /Ис«
«1200° С), титан (/Пл«1720, /ис«1540°С), магний
(/Пл~650, /йс«440°С), кремний (/Пл»1415,
«а 1340° С) и другие. В электронно-лучевых испарителях
тугоплавкие материалы (металлы, диэлектрики) нагре-
ваются, испаряются, ионизируются и под воздействием
255
высоких ускоряющих напряжений (до 10 кВ) через мас-
ку осаждаются на изделие. Часто применяются также
испарители металлов и диэлектриков с косвенным на-
гревом. Испарителями служат тугоплавкие ленточные
или коробчатые подогревные формы, в которые закла-
дывается испаряемое вещество.
Нейтральная подложка с нанесенными в определен-
ной последовательности металлическими, диэлектричес-
кими и полупроводниковыми пленками является тонко-
пленочной ИМС.
Толстопленочные ИМС изготовляются на основе тер-
мостойкой и высокотеплопроводной керамической под-
ложки, например из алунда (96% А12О3). На подложки
наносятся проводящие и резистивные пасты — смеси по-
рошков благородных металлов, окислов металлов н стек-
ла, взвешенных в связующей органической жидкости.
Нанесение паст производится через сетчатый трафарет-
маску. После отжига на подложке образуются пассив-
ные элементы, соединительные проводники и контактные
площадки. Толщина пленок — до 20 мкм. Основной не-
достаток толстопленочных элементов — значительный
разброс параметров. Самостоятельное применение как
тонкопленочных, так и толстопленочных ИМС оказалось
ограниченным, поскольку эта технология пока еще не
обеспечивает стабильных характеристик транзисто-
ров.
Совмещенные (гибридные) ИМС совмещают свойст-
ва полупроводниковых и пленочных ИМС. В объеме по-
лупроводника создаются все активные элементы, а за-
тем на поверхности такой подложки формируются пле-
ночные пассивные элементы и токопроводящие дорожки.
Основой другого варианта совмещенной ИМС является
пленочная ИМС с диэлектрической подложкой, на кото-
рой устанавливаются (навешиваются) активные микро-
компоненты, изготовленные дискретно. Такие ИМС
называются гибридными. Общий вид гибридной ИМС уси-
лительного каскада приведен на рис. 9.2. На диэлектри-
ческой подложке выполнены тонкопленочным методом
пассивные элементы схемы усилителя (рис. 9.2,6): кон-
денсатор 3 и резисторы 4, 5 и 9, а также контактные
площадки 2, 6, 8, 10, 11. Пленочные детали — конденса-
тор, резисторы, контактные площадки — выполнены ме-
тодом термического напыления металлов и диэлектрика
в вакууме. Активным компонентом ИМС является бес-
256
корпусный транзистор 7, который прикреплен к подлож-
ке и подключен к соответствующим точкам схемы.
Гибридные ИМС часто изготовляют функционально незавершен-
ными, т. е. без каких-нибудь элементов, например без индуктивных
катушек или конденсаторов большой емкости. При монтаже таких
гибридных ИМС предусматривается внешнее присоединение компо-
нентов с заданными параметрами. Промышленность производит мноч
Рис. 9.2. Общий вид увеличенной микросхемы усилительного каска-
да (а) н принципиальная схема этого каскада (б).
го типов гибридных ИМС высокой сложности, содержащих по не-
скольку сотен элементов и компонентов, в том числе толстопленоч-
ных ИМС.
9.3.	АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
К активным элементам ИМС относятся биполярные,
многоэмиттерные и полевые транзисторы, диоды, тирис-
торы и другие элементы и компоненты, которые спо-
собны усиливать или видоизменять форму сигналов. Наи-
более сложными элементами являются транзисторы.
В совмещенных ИМС используют в основном бескорпус-
ные навесные биполярные транзисторы, кристаллические
сборки с транзисторами и многоэмиттерные транзисторы,
Транзисторы в интегральном исполнении имеют от-
личительные особенности, заключающиеся в том, что все
их три вывода — база, эмиттер и коллектор — располо-
жены с одной стороны пластины и, кроме того, все тран-
зисторы и другие элементы ИМС размещены в непо-
средственной близости друг от друга, что иногда стано-
17—<107
257,
вится причиной взаимного влияния на рабочие ха-
рактеристики.
Структура интегрального р-п-р транзистора, изготовленного ме-
тодом планарно-эпитаксиальной технологии, показана иа рис. 9 3.
В пластине 1 кремния p-типа химическим травлением образуется
«Карман» 2 в виде прямоугольника со сторонами до 200 мкм и глу-
биной 15—20 мкм. Для уменьшения электрического сопротивления
тела коллектора 8 дно 9 подвергается диффузии легирующей приме-
си п+, затем выполняется эпитаксиальный про-
цесс— наращивание кристалла, легированно-
го акцепторной примесью, иа всю глубину кар-
мана 2. Переход 10, отделяющий область п
коллектора и область п+ от кристалла р, ис-
пользуется для изоляции транзистора от дру-
гих элементов схемы. В последующих операци-
ях применяется диффузия для создания обед-
ненной области 3 базы 7 p-типа и обогащен-
Рис. 9 3. Структура интегрального транзистора,
выполненного по планарно-эпитаксиальной тех-
нологии.
иой носителями п+-типа области 5 эмиттера 6. Вся поверхность
кристалла покрывается окнсиой защитной пленкой S1O2 4, в окнах
которой напыляются металлические контактные дорожкн 7. В функ-
циональных схемах часто применяются транзисторы с несколькими
эмиттерами, называемые миогоэмиттериыми. В таких транзисторах
для каждого из эмиттеров создается в области общей базы участок,
обогащенный носителями заряда (как на рис 9.3). При работе в
ключевых схемах многоэмиттерный транзистор обеспечивает переклю-
чение тока из коллекторной цепи в эмиттерную или наоборот в за-
висимости от напряжения на эмиттерах.
В ИМС применяются транзисторы как р-п-р, так и
п-р-п структуры, чаще встречаются транзисторы п-р-п
типа, так как они имеют большее быстродействие и бо-
лее простую технологию изготовления.
Электрическая изоляция элементов
ИМС друг от друга осуществляется двумя способами:
р-п переходом и слоем окисной пленки. Использование
р-п перехода для изоляции объясняется относительной
простотой изготовления, производственной традицией и
хорошо налаженным технологическим процессом. Изо-
лирующий р-п переход в общем виде представляет со-
бой четырехслойную структуру п-р-п-р, свойственную
двум взаимно дополняющим (комплементарным) тран-
зисторам— основного п-р-п и паразитного р-п-р типов,
258
Недостаток этой структуры заключается в увеличении
проводимости изолирующего р-п перехода и утечке то-
ка в моменты, когда он оказывается прямо смещен-
ным, — токи утечки достигают десятков наноампер. Вто-
рым недостатком считается возросшее значение между-
электродной емкости, что вредно отражается на частотных
характеристиках. Эффективным способом разделе-
ния элементов полупроводниковых ИМС является плен-
Рис. 9 4 Полевой транзистор с
индуцированным p-каналом в
интегральном исполнении.
Рис. 9 5. Способы включения
транзистора для реализации
диодной схемы.
ка StOa, которую наносят окислением поверхности «кар-
мана» перед эпитаксиальным наращиванием кремния.
МДП-транзисторы, как и биполярные, широко при-
меняются в полупроводниковых ИМС. Они относятся к
полевым транзисторам. Их работа основана на модуля-
ции проводимости слоя полупроводника поперечным
электрическим полем. МДП-транзисторы изготовляются
с проводящим (встроенным) и индуцированным канала-
ми р- и n-типов. Структура транзистора с индуцирован-
ным p-каналом показана на рис. 9.4. Кремниевая под-
ложка 1 толщиной 0,2—0,4 мм n-типа (или p-типа) име-
ет исходную концентрацию примеси порядка 1014—1016
атомов в 1 см3 и удельное сопротивление 1—10 Ом.
В поверхностном слое 2 окиси SiO2 протравливают «ок-
на» на расстоянии 10—20 мкм. Затем в эти окна мето-
дом диффузии вводят примесь 3 противоположного зна-
ка по отношению к знаку проводимости подложки, в ре-
зультате чего образуются области стока С и истока И е
проводимостью р+-типа; глубина слоев достигает 2—
3 мкм. Выводами истока, стока и затвора являются на-
пыленные металлические пленки 4. МДП-транзистор на-
поминает конденсатор, в котором верхней обкладкой яв-
ляется металлический затвор, нижней т-полупроводник
17*
859
(кремний n-типа), а диэлектриком—окисная пленка
SiOa. Если к затвору приложить напряжение, то в кана-
ле между истоком и стоком происходит перераспределе-
ние носителей зарядов, отчего изменяется сопротивление
канала и ток между электродами. МДП-транзисторы
проще в производстве, обладают большей стабильно-
стью параметров и отличаются универсальностью приме-
нения. Важным преимуществом МДП-транзисторов яв-
ляется возможность их использования не только как ак-
тивного, но и как пассивного элемента — резистора,
конденсатора.
Диоды широко применяются в цифровых и аналоговыхИМ.С. Их
реализуют иа основе тех же диффузионных или эпитаксиальных сло-
ев и р-п переходов, что н биполярные транзисторы. При этом в за-
висимости от того, какая часть одной и той же транзисторной струк-
туры-используется, получают диоды с различными характеристиками.
Схемы пяти вариантов диодного включения транзисторов показаны
на рис. 9.5. Диодное включение интегрального транзистора достигает-
ся металлизацией внутрисхемных соединений при формировании эле-
ментов ИМС.Диодная схема 1 образована закорачиванием коллекто-
ра и базы, рабочим ивлиется' эмиттерный переход; в схеме 2 база
соединена с эмиттером и диод состоит из коллекторного перехода;
В схеме 3 закорочены эмиттер и коллектор, рабочими являются и
коллекторный и эмиттерный переходы; в схеме 4 работает только
эмиттерный переход, а коллектор изолирован, в схеме 5, наоборот,
рабочим является коллекторный переход. Каждая из пяти диодных
схем обладает различными статическими и динамическими парамет-
рами.
К статическим параметрам относятся напряжение
пробоя 1/Пр, обратный ток /обр, прямые ток и напряжение I и U,
которые определяются по ВАХ диода; большее напряжение пробоя
свойственно схемам 2 и 5 (для типовых структур составляет 20—
50 В). Динамическими параметрами считаются ем-
кость, шунтирующая р-п переход, паразитная емкость и постоянна^
Времени восстановления обратного сопротивления, обусловленная
процессами накопления и рассасывания заряда избыточных носите-
лей в р-п переходах; наибольшая емкость (до 10 пФ) получается в
схеме 3.
9.4.	ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОСХЕМ
К пассивным элементам ИМС относятся резисторы,
конденсаторы и индуктивные элементы.
Резисторы могут быть получены несколькими спосо-
бами. Резистором может быть микрообъем или участок
поверхности полупроводникового кристалла или р-п пе-
реход в прямом или обратном направлении, а также ка-
нал МДП-транзисторов. Широко распространены интег-
ральные тонко- и толстопленочные резисторы. Основны-
260
ми параметрами резисторов являются номинальное
сопротивление резистора (вомах), удельноесопротивле-
ние, отнесенное к поверхности р8, Ом/квадрат, макси-
мально допустимая мощность Ртах, Вт, максимально
допустимый ток /max, температурный коэффициент со-
противления резистора (ТК.Р, %). Параметры зависят
от исходного материала, способа изготовления и конфи-
гурации.
Рис. 9.6. Вариант резистора, выполненного
по интегральной технологии.
Резистор, выполненный на участке поверхности полу-
проводника методом диффузии, показан на рис. 9.6. В те-
ле кристалла 1 вытравлен «карман» 2 глубиной до
10 мкм, в котором выращен поликристаллический слой с
проводимостью противоположного знака по отношению
к пластине. В поверхность эпитаксиального слоя вводит-
ся легирующая примесь 3. Поверхность защищается сло-
ем окиси SiOz 4, в окнах которой напылены металлические
контактные пленки 5. Образовавшийся при эпитаксии р-п
переход изолирует резистор от других участков кристал-
ла. Номинальное значение сопротивления зависит от
концентрации носителей N, от геометрических парамет-
ров резистора — длины /, ширины w, глубины d, а так-
жё заряда электронов (дырок) q и их подвижности ц,
Сопротивление подсчитывается по формуле
г,	1	1	1	<
К =--------= р — , где р = —.
qpNwd к wd	qpN
Поскольку наибольшая концентрация носителей на-
блюдается вблизи поверхности, удельное диффузионное
сопротивление условно считают поверхностным, равным
сопротивлению квадратной по форме поверхности слоя
с омическими контактами на противоположных сторо-
нах квадрата; оно измеряется в омах на квадрат и не
зависит от квадрата. Тогда
Как видно из рисунка, диффузионные резисторы фор-
мируют одновременно с транзисторами в едином техно-
261.
логическом цикле. Диффузионные резисторы могут быть
также реализованы на основе любой из областей тран-
зистора с приемлемыми для конкретных схем номиналь-
ными значениями сопротивления — от 5 до 50 кОм/квад-
рат. Резисторы небольших номиналов формируют в ви-
де прямоугольников между контактными площадками,
резисторы больших номинальных значений имеют более
сложную конфигурацию, например в виде змейки. Ми-
нимальная ширина активного слоя определяется разре-
шающей способностью фотолитографии и доходит до
3 мкм.
Пленочные резисторы выполняются на плоских диэлектрических
подложках в виде узких металлических полосок различной конфигу-
рации. Различают тонкопленочные и толстопленочные резисторы.
Тонкопленочные резисторы изготовляются термическим напылением
металлов в вакууме через маски-трафареты. Номинальное значение
сопротивления зависит от геометрических размеров резистора и удель-
ного сопротивления материала пленки и подсчитывается по формуле
R. = pllwd (р — удельное сопротивление материала, I — длина полос-
ки, w и d— ширина и толщина пленки). Используются металлы,
сплавы и соединения с приемлемым удельным сопротивлением, техно-
логической совместимостью и стабильностью характеристик. Широко
распространены также толстопленочные резисторы, изготовляемые
методом сеткографии: на подложку наносят резистивную пасту че-
рез сеточный трафарет и отжигают. Номинальные значения сопро-
тивлений как тонкопленочных, так и толстоплеиочных резисторов
корректируют лазерным лучом с точностью до 0,1%. Пленочные ре-
зисторы имеют широкий диапазон номинальных значений — от не-
скольких ом до 500 кОм и более.
МДП-резисторы ИМС выполняются теми же метода-
ми, что и аналогичные транзисторы, в едином техноло-
гическом цикле. Резисторами являются каналы транзис-
торов, сопротивление которых зависит от конфигурации
канала и запирающего напряжения на затворе и может
достигать значений от 0,1 до 500 кОм.
Конденсаторы ИМС могут быть реализованы на ос-
нове как транзисторных структур, так и пленок. Конден-
саторы занимают значительную площадь и поэтому их
применяют в основном в аналоговых ИМС. Часто в ка-
честве конденсатора используют смещенный в обратном
направлении р-п переход — обычно параллельное соеди-
нение эмиттерного и коллекторного переходов биполяр-
ного транзистора. Емкость такого конденсатора достига-
ет не более 100 пФ при 25-4-50 В и добротности
Q — 1-4-10. Малый диапазон номинальных емкостей, низ-
кая добротность, высокий ТКС и зависимость емкости
262
от приложенного напряжения ограничивают область
применения конденсаторов на основе р-п перехода.
Широко распространены МДП-конденсаторы. Нижней обкладкой
конденсатора является сильнолегнрованный слой полупроводниковой
подложки, диэлектриком служит слой S1O2 толщиной до 1 мкм, а
верхней обкладкой является напыленная пленка алюминия. Такой
конденсатор имеет емкость до 500 пФ/мм2, она стабильна и не за-
висит от полярности напряжения; пробивное напряжение до 50 В.
Пленочные конденсаторы (рис.
9.7) изготавливают на диэлектриче-
ской подложке 1 формированием
многослойной структуры пленок: /<
нижней — металлической 2, ди-
Рис. 9.7. Пленочный конденсатор в ин-
тегральном исполнении.
3
электрика 3, металлической 4, диэлектрика и т. д.» от
обеих обкладок напылены токопроводящие дорожки 5.
Пленочные конденсаторы отличаются высокой стабиль-
ностью параметров. Емкость плоского конденсатора оп-
ределяется по формуле
С = ^^- = 0,0885— ,
4л</	d
rjifi Ът — относительная диэлектрическая проницаемость;
ео=8,86-10-12 Ф/м — электрическая постоянная; S —
площадь обкладок; d — толщина диэлектрика.
Из приведенной формулы следует, что при одной и
той же площади кристалла емкость конденсатора мож-
но увеличить тремя способами: а) уменьшить расстоя-
ние d между обкладками, б) применить многослойную
структуру из диэлектрических и металлических слоев,
в) использовать диэлектрик с высоким значением элек-
трической постоянной. По современной технологии, од-
нако, не удается получить стабильную пленку диэлек-
трика тоньше 10 нм и количество слоев больше трех,
так как уменьшается плотность и электрическая проч-
ность диэлектрических слоев, возрастают краевые эф-
фекты. Диэлектрики с высокой проницаемостью сложны
и дороги в производстве (для T2Os ег «25, Sb2S3«20,
SiO2«8, А12О3«8). В современных ИМС применяются
пленочные конденсаторы с емкостью до 105 пФ с допус-
263
ком 4-20%, напряжением пробоя до 500 В/мм2 и темпе»
ратурным коэффициентом емкости до 5-Ю-4-0^1.
Индуктивные элементы с индуктивностью до ЗОмкГн
получают нанесением на поверхность ИМС тонких маг-
нитных пленок в виде плоских спиралей. Если требуют-
ся индуктивности больших значений, применяют гибрид-
ные ИМС с навесными индуктивными компонентами.
9.5.	ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Цифровой ИМС называется микроэлектронное изде-
лие, элементы которого предназначены для преобразо-
вания и обработки дискретных сигналов. Дискретные
ИМС применяются в виде триггеров, счетчиков, регист-
ров, сумматоров, дешифраторов и других функциональ-
но-полных, или функционально-неполных узлов и сборок
электронных вычислительных машин, блоков измеритель-
ных и автоматических систем.
Параметры цифровых ИМС подразделяются
на статические и динамические. Статические параметры
характеризуют состояние включенной микросхемы с не-
изменяющимися в ее цепях электрическими сигналами
в течение некоторого времени. К статическим парамет-
рам относятся напряжение источника питания, входное
и выходное напряжения логического нуля или логической
единицы, входной и выходной токи, а также коэффици-
енты объединения по входу (допустимое количество вхо-
дов ИМС) и коэффициент разветвления по выходу — ко-
личество одновременно подключенных нагрузок. Стати-
ческими параметрами считаются допустимое напряжение
помехи и средняя потребляемая мощность. Динами-
ческие параметры характеризуют свойства цифровых
ИМС в режиме переключения; время перехода из со-
стояния 0 в 1 или наоборот, время задержки распрост-
ранения сигнала, динамическую помехоустойчивость
и др.
Большинство цифровых ИМС относится к потенциальным: на их
входе н выходе действуют высокий и низкий уровни напряжений,
которым в соответствие ставятся 1 и 0. В зависимости от кодирова-
ния состояний сигнала различают положительную и отрицательную
логику. Положительная логика свойственна элементам, которые сра-
батывают при изменении входного сигнала с нулевого уровня до еди-
ницы—т. е. при положительном импульсе (с 0 на 1). Элементы от-
рицательной логики управляются входными сигналами, изменяющи-
мися от 1 до 0. Кроме потенциальных логических ИМС широко рас-
пространены импульсные.
264
По функциональному назначению цифровые ИМС подразделяют
на подгруппы: логические, триггеры, элементы арифметических уст-
ройств и т. д. Внутри каждой подгруппы ИМС делятся на типы мик-
росхем. Они строятся на основе базисных принципиальных схем, от-
личающихся видом элементов и параметрами.
Логические микросхемы выполняют операции конъ-
юнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ), инверсии (НЕ) и бо-<
лее сложные логические операции И—НЕ, ИЛИ—НЕ,
И—ИЛИ—НЕ и др. Логические ИМС могут состоять
из сборки логических элементов, каждый из которых вы-
полняет одну, две и более операций и является функцио-
нально-автономным, т. е. может использоваться незави-
симо от других элементов. По установившейся термино-
логии логические ИМС относят к резисторно-транзистор-
ной логике (РТЛ), диодно-транзисторной логике (ДТЛ),
транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ), транзистор-
ной логике на переключателях тока (ПТТЛ), а так-
же логике на МДП-транзисторах (МДПТЛ).
Один вид логики отличается от другого элемен-
тами, установленными во входных и выходных це-
пях ИМС. Например, базисная схема логических мик-
росхем РТЛ строится на совокупности резисторов во
входных цепях и транзисторов на выходе; ДТЛ содер-
жит диоды на входе и транзисторы на выходе и т. д.
Основным недостатком РТЛ и ДТЛ является заметное
ослабление сигнала, особенно в схемах с объединенны-
ми входами и разветвленными выходами. Микросхемы
ТТЛ обладают лучшими характеристиками по сравне-
нию с РТЛ и ДТЛ, поэтому они получили большее рас-
пространение. В базисных схемах ТТЛ входным элемен-
том является, как правило, многоэмиттерный транзистор
с двумя и более эмиттерами.
Микросхема ТТЛ, реализующая логическую функцию И—НЕ,
представлена на рис. 9.8. Она состоит из многоэмиттерного транзис-
тора VI, транзистора V2 и резисторов М и Эмиттеры транзис-
тора VI образуют входные цепи, его коллектор непосредственно при-
соединен к базе транзистора V2; выходом служит коллектор V2.
Логические операции И и НЕ выполняются отдельными элементами
схемы. Логическое умножение трех входных сигналов происходит
при одновременном воздействии входных сигналов положительной
полярности достаточной величины — логической 1: все эмиттеры сме-
щаются в обратном направлении, и транзистор VI работает как
обычный диод, пропуская ток от Е!( через прямосмещенный коллек-
торный переход в базу транзистора V2; транзистор V2 поддержива-
ется в режиме насыщения, и на выходе действует низкий положи-
тельный потенциал (потенциал корпуса) 0. Если хотя бы к одному из
входов будет приложено низкое (отрицательное) напряжение (логн-
265
ческий 0), то соответствующий эмиттер VI сместится в прямом на-
правлении, вследствие чего потенциал его коллектора запрет тран-
зистор V2 и на выходе инвертора появится положительное напряже-
ние (логическая 1).
Преимущества схем ТТЛ заключаются в единообразии техноло-
гических процессов изготовления транзисторных структур, в умень-
шении площади микросхем и стоимости; достоинствами ИМС счи-
таются также повышенное быстродействие, незначительное ослабле-
ние входных сигналов и т. д. К недостат-
кам относится низкая помехоустойчивость,
обусловленная малым напряжением отпи-
рания второго транзистора (0,2—0,3 В).
Реальные ИМС имеют более сложную
структуру.
Рис. 9.8. Логический элемент И—НЕ с мно-
гоэмиттерным транзистором ТТЛ.
Микросхемы ПТТЛ (их часто называют также эмит-
терно-связанными логическими схемами — ЭСТЛ) состо-
ят из транзисторных входных и выходных цепей. Выход-
ная цепь выполняется на двух транзисторах с объеди-
ненными эмиттерами и подключенной к ним нагрузкой
(транзисторы работают в режиме эмиттерных повтори-
телей). Входные цепи — многоэмиттерный транзистор,
транзисторная или диодная сборка — присоединяются к
базе одного из транзисторных переключателей тока, а
база второго транзистора присоединяется к дополнитель-
ному источнику опорного напряжения. Схемы ПТТЛ по-
лучают широкое распространение вследствие резкого
увеличения их быстродействия, что объясняется режи-
мом работы транзисторов без насыщения носителей за-
рядов в их переходах.
Микросхемы на МДП-транзисторах строятся, как
правило, на транзисторах с индуцированным каналом.
Вариант логического элемента ИЛИ—НЕ приведен на
рис. 9.9. Он состоит из трех параллельно включенных
МДП-транзисторов VI—V3 и четвертого транзистора
V4, соединенного последовательно с первыми тремя.
Входные сигналы поступают на затворы транзисторов
VI—V3. Транзистор V4 выполняет роль управляемого
нагрузочного резистора; его затвор подключается либо
к стоку, как на рисунке, либо к отдельному источнику
напряжения. При подаче отрицательного напряжения
(логическая 1) хотя бы на один вход соответствующий
266
транзистор открывается, его сопротивление резко умень-
шается и на выходе устанавливается потенциал корпу-
са (логический 0).
Микросхемы на МДП-транзисторах выгодно отлича-
ются от схем на биполярных транзисторах простотой
технологии изготовления, дешевизной, меньшими разме-
рами и высокой эксплуатационной надежностью. Одна-
Рис. 9.9. Логический элемент
ИЛИ—НЕ, выполненный на
полевых транзисторах с инду-
цированным каналом.
ко микросхемы МДПТЛ обладают существенно меньшим
быстродействием из-за влияния емкости областей исто-
ка, стока и затвора.
Микросхемы-триггеры используются для построения различных
функциональных узлов. Промышленность производит много серий
ИМС-триггеров. Все виды триггеров делятся на асинхронные и син-
хронные. Асинхронные триггеры переключаются управляющими сиг-
налами в момент их поступления на вход. Синхронные триггеры сра-
батывают при наличии управляющего н синхронизирующего сигна-
лов; при отсутствии одного нз них триггер не переключается. Триг-
геры различаются по сложности построения, по способу запуска и
управления состоянием триггера, по функциональному назначению,
по быстродействию и другим признакам. По общепринятой класси-
фикации триггеры подразделяют на типы: RS-триггеры, £>-триггеры,
Т-триггеры, /Л-триггеры и их комбинации.
RS-триггер имеет информационные входы S и R для управления
его состоянием: прн действии сигнала по входу S на выходе Q уста-
навливается 1, на выходе Q 0; при действии входного сигнала на
другом входе R триггер изменяет свое состояние на обратное: на
выходе Q устанавливается 0, на выходе Q 1. Базисными элементами
интегральных RS-триггеров являются комбинации элементов И—НЕ,
ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ как на биполярных, так н на МДП-струк-
турах. Так, например, серии К137, К115, К191 и др. — на биполяр-
ных транзисторах, 106—на ТТЛ, а серии К178 — двойной .RS-триг-
гер на МДП-транзисторах со сложной входной логикой.
Интегральный D-триггер обладает свойством сраба-
тывать с задержкой по времени; .D-триггер имеет один
информационный вход и один синхронизирующий вход,
причем для срабатывания триггера требуется не только
267
наличие информационного, но и синхронизирующего
сигнала. Базисные элементы .D-триггера могут быть как
биполярными, так и МДП-структурами. О-триггеры при-
меняются в устройствах, где требуется задержка вре-
мени срабатывания. Временная задержка возникает как
результат последовательного прохождения сигнала че-
рез ряд переключающихся логических элементов.
Т-триггер (триггер со
счетным входом) имеет ли-
бо один вход (асинхронный
триггер), либо два входа;
второй V-вход используется
для синхронизации его пере-
ключения.
Рис. 9 10. Упрощенный вариант
универсального /К-триггера, по-
строенного на логических элемен-
тах н транзисторах.
JK-триггер является универсальным триггерным уст-
ройством, допускающим разностороннее его применение.
Базисная схема //(-триггера строится по типу ^S-триг-
геров, как правило, в виде комбинаций логических эле-
ментов И—НЕ, ИЛИ—НЕ, И—ИЛИ—НЕ. Кроме двух
информационных входов (/ и К) триггер имеет один или
два синхронизирующих (С и V) и установочные входы.
Часто встречаются триггеры с размноженными по И ли-
бо по ИЛИ входами / и К, благодаря чему их можно
использовать для логического умножения (конъюнкции)
либо сложения (дизъюнкции). Один из упрощенных ва-
риантов //(-триггера представлен на рис. 9.10. Он состо-
ит из двух ступеней. Основную ступень образуют два
элемента И—ИЛИ—НЕ, вспомогательную — два элемен-
та И—НЕ, их объединяют два коммутирующих транзис-
тора. Основная ступень имеет по три информационных
входа / и К, один вход С для синхронизирующего сиг-
нала и установочные входы S и R. Все элементы обеих
ступеней и коммутирующих транзисторов микросхемы
//(-триггера имеют проводниковые межсоединения и кон-
тактные выводы входных и выходных цепей. Триггер мо-
жет быть использован в качестве ячейки счетчика им-
268
пульсов, регистра, сумматора или самостоятельного
функционального устройства.
Принцип действия УК-триггера. В_исходное состоя-
ние триггер устанавливают подачей на вход S или К отрицательного
импульса. Переключение триггера происходит не только при наличии
необходимых входных сигналов на входе J или К, но и синхронизи-.
рующего импульса на входе С, причем сигнал на выходе Q или Q
появится после исчезновения синхронизирующего сигнала. В этот
момент на эмиттеры транзисторов поступит напряжение, соответст-
вующее 0, которое пройдет на элемент второй ступени через тот из
транзисторов, на базе которого будет сформировано входными сигна-
лами положительное напряжение. Элемент второй ступени, на вход
которого поступил 0, формирует на выходе 1, а второй элемент 0.
Интегральные дискретные микросхемы функциональ-
ных узлов составляют большую группу узлов — счетчи-
ков импульсов, регистров, шифраторов и дешифраторов,
переключателей, сборок отдельных элементов. Они отно-
сятся к микросхемам повышенной степени интеграции
(до 150—200 элементов и более) и изготовляются как на
основе полупроводниковой, так и гибридной технологии.
Многие из них строятся, как и ранее рассмотренные
ИМС, по базисному принципу, т. е. ИМС одной серии об-
ладают рядом таких общих признаков, как одинаковые
параметры питания, тип корпуса, общность технологи-
ческих процессов в производстве и т. д.
К гибридным ИМС повышенной степени интеграции относятся
микросхемы К.229, К230, К234, К240, к полупроводниковым — микро-
схемы К120, К.144, К501 и др. Микросхема К229ТК1 состоит из че-
тырех комбинированных М57-триггеров, каждый из которых постро-
ен на шести элементах ИЛИ—НЕ. Коммутируя входы и выходы этой
микросхемы, можно получить либо счетчик, либо сдвигающий ре-
гистр, либо другой узел. Еще один тип ИС этой же серии (К2ИЛ291)
содержит четыре полусумматора и два элемента ИЛИ—НЕ, из кото-
рых можно получить двухразрядный коммутационный сумматор.
Каждая из гибридных ИМС серии К230 содержит до 40 логиче-
ских элементов типа ТТЛ, образующих либо счетчики, либо регист-
ры, либо устройства уравновешивания. Микросхемы смонтированы в
прямоугольных металлокерамических корпусах размером 36Х24Х
Х5 мм с 50 выводами.
Микросхемы серии К120 относятся к полупроводниковым е
МДП-логикой. Одни из них, например КШР201, К1ИР207, являют-
ся регистрами сдвига на 8—16 разрядов, другие — К1ИШ201 —шиф-
раторами, третьи — счетчиками; а всего в этой серии около 20 типов
ИМС. У них одинаковый прямоугольный стеклянный корпус с 14 вы-
водами.
Микросхемы более высокой степени интеграции являются завер-
шенными устройствами для использования их в качеству решающих
блоков ЭВМ. Они обладают высокой надежностью работы, имеют
малые размеры и массу, а себестоимость их значительно ниже себе-
стоимости электронных устройств из отдельных компонентов.
269
9.6.	АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
К аналоговым относятся ИМС усилителей, генерато-
ров, преобразователей, коммутаторов, устройств сравне-
ния, модуляторов и т. д. Аналоговые устройства отлича-
ются от дискретных непрерывностью (плавностью) изме-
нения в них электрических сигналов. Так же, как и
дискретные, аналоговые ИМС делятся на серии; каждая
серия состоит из набора базисных схем, различающихся
некоторыми параметрами; имеются как функционально-
полные, так" и функционально-неполные микросхемы.
Аналоговые ИМС изготовляют такими же методами, как
и дискретные; одинаково часто встречаются полупровод-
никовые ИМС на биполярных и МДП-структурах, а так-
же гибридные ИМС с тонко- и толстопленочными эле-
ментами.
Параметры аналоговых ИМС также разделяются иа
статические и динамические. К статическим относятся номинальные
напряжения и токи, значения входных и выходных сигналов ИМС
в режиме работы при одной фиксированной частоте, например при
1000 Гц, коэффициенты усиления каскадов и схемы в целом, влия-
ние температуры н других факторов на параметры и т. д. Динамиче-
ские параметры — это зависимости амплитуды, фазы н коэффициен-
тов усиления отдельных каскадов и микросхемы в целом от частоты
сигнала. Наряду с номинальными указываются предельно допусти-
мые эксплуатационные параметры.
По функциональному признаку номенклатура ана-
логовых ИМС насчитывает много наименований узлов и блоков для
работы в низком, среднем и высоком диапазонах частот, различаю-
щихся по мощности, по принципиальным схемам и другим показате-
лям. Производится много специализированных ИМС, например для
телевизионной аппаратуры, магнитофонов, мини-ЭВМ, устройств
связи и т. д. Рассмотрим лишь некоторые типы ИМС.
Усилители представлены во многих сериях аналого-
вых ИМС (например, усилители высокой частоты
2УС191, К2УС241, 2УС351 и др.). Они используются для
построения трактов приемопередающей радиоаппарату-
ры с диапазоном 5—150 МГц при входном сигнале до
10 мВ и позволяют получить усиление более чем в 30—
50 раз. Например, ИМС 2УС351А состоит из трех тран-
зисторов, двух диодов, восьми резисторов и шести кон-
денсаторов. Она обеспечивает устойчивое усиление на
высоких частотах более чем в 200 раз при низком уров-
не помех, имеет цепь автоматической регулировки уси-
ления (АРУ).
Принципиальная схема усилителя низкой час-
тоты (УНЧ) одной из микросхем (К2УС245) приведена на
270
рис. 9.11. Она состоит из пяти транзисторов (V1-~V5) п-р-п струк-
туры и одиннадцати резисторов и относится к типу УНЧ с непосред-
ственной связью. В первом каскаде в цепи эмиттера включен резис-
тор благодаря которому повышается входное сопротивление.
Транзистор V3 также работает в режиме эмиттерного повторителя.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов обеспечивают обратную
связь по переменной и постоянной составляющим. Напряжение пи-
тания (5—12 В) подводится к выводам 3, 7 и 6, потребляемая мощ-
ность не превышает 200 мВт. ИМС применяют обычно с комплек-
се»
Рис. 9.11. Усилитель низкой ча-
стоты с резисторными связями
в интегральном исполнении.
Рис. 9.12. Дифференциальный
усилитель постоянного тока
(УПТ) в интегральном испол-
нении.
том навесных дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов),
которые присоединяют к выводам 1, 4, 5 и 8; они необходимы для
корректировки характеристик усилителя. Входные сигналы подводят-
ся к выводам 2 и б (корпус), выходом служит вывод 9. ИС обеспе-
чивает усиление входных сигналов более чем в 200 раз при коэф-
фициенте нелинейных искажений не более чем 3%.
Дифференциальный усилитель обладает универсаль-
ными свойствами и применяется в цепях как постоянно-
го, так и переменного тока. На основе дифференциаль-
ных усилителей строятся генераторы, модуляторы, муль-
тивибраторы, триггеры, коммутаторы и другие устройства.
Интегральная технология позволила создать в еди-
ном процессе сопряженные элементы ИМС с идентичны-
ми параметрами, поэтому дифференциальные усилители
обладают высоким постоянством характеристик.
Существует много типов ИМС дифференциальных усилителей}
КН8, К122, К224 и др. Одни из них — однокаскадные, другие —
многокаскадные с эмиттерными повторителями.
Вариант однокаскадного дифференциального усили-
теля в интегральном исполнении (К.1УТ221) показан на
27J
рис. 9.12. Элементами, созданными на полупроводнико-
вой пластине, являются четыре транзистора п-р-п элект-
ропроводности, шесть резисторов и металлические про-
водниковые соединения с контактными выводами. Тран-
зисторы VI и V2 с объединенными эмиттерами являются
усилительными элементами и совместно с сопротив-
лениями в коллекторных цепях образуют сбалансиро-
ванную мостовую схему. Транзистор V3 стабилизирует
ток питания усилительного каскада, ослабляет помехи
и осуществляет другие функции. Транзистор V4 вклю-
чен по схеме диода и выполняет роль термостабилизи-
рующего элемента. Важнейшим достоинством диффе-
ренциальных усилителей является их высокая устойчи-
вость к воздействию помех различной формы и
происхождения. Одной из особенностей дифференциаль-
ного усилителя считается возможность подключения к
нему источника сигнала и внешней нагрузки нескольки-
ми способами, в частности симметричным и несиммет-
ричным способами. При симметричных сигналах на за-
жимах 4 vi 10 токи в коллекторных цепях транзисторов
VI и V2 изменяются в противофазе и как следствие из-
меняется разность напряжений между коллекторами
транзисторов дифференциальной пары (выводы 5 и 9).
Режим несимметричного входного сигнала отличается
гем, что сигнал поступает на один базовый электрод, а
база второго транзистора присоединяется к обшей точ-
ке; нагрузка подключается к одному из коллекторов
транзисторов VI или V2, причем выход VI (5) являет-
ся инвертирующим по отношению ко входу VI (4) и неин-
вертирующим для входа V2 (10) и, наоборот, выход V2
(9) инвертирующий для входа V2 (10) и неинвертирую-
щий для входа VI (4).
Управлять параметрами усилителя можно и со сто-
роны токостабилизирующего транзистора V3 (выводы
3, 8, 11, 12). Режим работы токостабилизирующего тран-
зистора зависит от напряжения базового смещения, ко-
торое формируется резисторами Ri—R3 и транзистором
V4 (в диодном включении). Микросхема КДУТ221Б име-
ет параметры: ^=±6,3 В (выводы 7 и /); /?вх»6 кОм;
UBX=—34--J-1 В; Дуд>22; /?Вых~3-?5 кОм.
Применение дифференциального усилителя рассмотрим на при-
мере генератора пилообразного напряжения, используемого в осцил-
лографах. Упрощенная схема генератора приведена на рис. 9.13. Ос-
новой служит дифференциальный усилитель, к которому присоедине-
272
ны навесные компоненты: конденсатор, диод и два резистора. Кон-
денсатор, диод и резистор установлены между инвертирующим
выходом (вывод 5) и прямым входом 4 усилителя. Они образуют
времязадающую цепь обратной связи усилителя. Второй вход 10 под-
ключен к общей точке через резистор /?; общей точкой является вы-
вод 3.
Микрогенератор действует следующим образом. При включении
источника питания транзистор VI закрыт, a V2 открыт (см.
рис. 9.12), так как на его базе потенциал иВ1 более положителен
по сравнению с иБ2. Конденсатор быстро заряжается, так как пря-
Рис. 9.13. Упрощенная схема генератора
пилообразного напряжения с использо-
ванием интегрального усилителя.
мое сопротивление диода и выходное сопротивление невелики. В мо-
мент, когда напряжение й точке А превысит напряжение срабаты-
вания, транзисторы переключаются: VI открывается, a V2 закрыва-
ется. Конденсатор С медленно разряжается через сопротивление Ri
и небольшое сопротивление перехода база — коллектор VI; ток через
транзистор 1выХ медленно растет. Через время tv=RiC напряжение
на конденсаторе будет составлять ис«0,37 первоначального и0 и
станет более отрицательным по сравнению с потенциалом базы V2,
транзисторы переключатся и процесс повторится. Длительность пе-
риода «пилы» зависит от значения RiC и практически может изме-
няться в широких пределах — от долей секунды до нескольких мик-
росекунд. Линейность выходного напряжения регулируется токоста-
билизирующим транзистором.
9.7.	ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ИМС.
УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ, ТИПЫ КОРПУСОВ
Промышленность выпускает ИМС сериями, состоя-
щими из групп с различными принципиальными схема-
ми и параметрами. Общими признаками серии являются
лишь единое конструктивно-технологическое исполнение
и параметры цепей питания. Серии ИМС содержат раз-
личные типы элементов, узлов или блоков, выполненных
на одной подложке и смонтированных в типовом корпу-
се. Серии подразделяются на две большие группы: ло-
гические и аналоговые. Каждая серия содержит более
чем 20 типов устройств, каждый из которых предназна-
чен для выполнения конкретной функции. Так, в одной
из серий логической группы ИМС, например 240, содер-
18—107
273
жится 27 типов устройств: элементов И—НЕ, регистров,
полусумматоров, счетчиков; в серии аналоговой группы
К224 содержится 23 типа микроустройств: усилители
каскодные, усилители универсальные, преобразователи
частоты, детекторы, мультивибраторы и др.; все они
смонтированы в пластмассовых прямоугольных корпу-
сах типа «Трап» и т. д.
Состав серий ИМС, их разработка, производство и
модернизация регулируются ГОСТ. Каждая из серий
имеет свой шифр, в котором отражено функциональное
назначение. В шифре конкретной ИМС ГОСТом уста-
навливается две буквы для обозначения функциональ-
ных признаков, первая из которых является общей для
всех типов, а вторая — отмечает разновидность внутри ти-
па. Отметим некоторые из них. Генераторы: ГС — гармо-
нических колебаний, ГГ — прямоугольных сигналов, ГЛ—
линейно изменяющихся сигналов и т. д. Логические эле-
менты: ЛИ — элемент И, ЛР—элемент И — ИЛИ — НЕ,
ЛК — И — ИЛИ — НЕ/И — ИЛИ и т. д. Триггеры!
ТВ — триггеры /К-типа, ТР — триггер .RS-типа, ТТ —
триггер Г-типа и т. д. Усилители: УВ — усилители высо-
кой частоты, УН — усилители низкой частоты, УТ — уси-
лители постоянного тока, УД — операционные и диффе-
ренциальные усилители. Фильтры: ФВ — фильтры верх-
них частот, ФЕ — фильтры полосовые и т. д. Формирова-
тели: АГ — формирователи прямоугольной формы, АА—
формирователи адресных токов (в вычислительной тех-
нике) и т. д. Элементы арифметических и дискретных
устройств: ИР — регистры, ИМ — сумматоры, ИЕ —
счетчики, ИВ — шифраторы, ИД — дешифраторы и т. д.
Микросхемы высокой степени интеграции, представля-
ющие собой сложные блоки, например арифметический
блок ЭВМ, обозначаются буквами: ХЛ — цифровые мно-
гофункциональные микросхемы; ХА — аналоговые ИС.
Условное обозначение ИМС регламентировано ГОСТ.
Условное обозначение состоит из четырех элементов. Первый эле-
мент— цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполне-
ние: 1, 5 и 7—полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 —гибридные; 3 — про-
чие. Второй элемент — две цифры, обозначающие порядковый иомер
разработки серии (от 00 до 99). Третий элемент — две буквы, обо-
значающие функциональное назначение: ГЛ — генератор линейно из-
меняющегося напряжения, ХЛ — сложный логический микроблок
и т. д. Четвертый элемент — порядковый номер разработки по функ-
циональному признаку в данной серин, т. е. разновидность базисной
схемы данного типа элемента, узла.
274
Пример 1. Микросхема 121ЛБ1 серии 121: полупроводниковая
(1), логического Элемента И—НЕ/ИЛИ—НЕ (ЛБ), 21-й разработки
с функциональным признаком базисной схемы 1.
В условном обозначении ИМС, разработанном до 1974 г., бук-
венные индексы стоят после первого элемента, а для радиоэлектрон-
ных устройств широкого применения имеют в начале условного
обозначения дополнительный индекс К.
Пример 2. Микросхема 223ИЕ1 серин К223: гибридная (2),—
разряд счетчика (ИЕ), 23-й разработки с функциональным призна-
ком базисной схемы 1.
Рис. 9.14. Разновидности кор-
пусов некоторых интегральных
микросхем.
Пример 3. Микросхема 265МП2 серин К265: микросхема широ-
кого применения (К), гибридная (2), преобразователь декодирую-
щий (МП), 65-й разработки с функциональным признаком базисной
Схемы 2.
Корпуса ИМС служат для защиты от механичес-
ких, климатических и других воздействий. Корпуса из-
готовляют из стекла, металлостеклянных и металлоке-
рамических композиций, а также из пластмасс и керами-
ки и подразделяют на четыре типа: прямоугольной и
круглой формы с выводами, расположенными в преде-
лах основания или за его пределами. Прямоугольный
корпус ИМС с выводами, расположенными в пределах
основания, показан на рис. 9.14, а. Его основание изго-
товлено из металла, в который впаяны стеклянное изо-
ляторы с проволочными выводами. Микросхема укреп-
лена на изолированных от корпуса выступах, а ее
элементы присоединены к выводам. На основание наде-
та крышка и приварена к нему контактной сваркой.
Пластмассовый корпус показан на рис. 9.14, б. Осно-
ву корпуса составляет рамка с ленточными выводами,
ИМС помещают на рамке и укрепляют пластичным ком-
паундом. После присоединения контактных проводников
к выводам корпус закрывают и герметизируют пласт-
18*
275
массой. Металлический корпус круглой формы (рис.
9.14, в) состоит из металлостеклянной ножки с прово-
лочными выводами, к которой прикреплена микросхема?
корпус закрыт металлическим колпаком и приварен к
ножке. По габаритным и присоединительным размерам
корпуса подразделяются на типоразмеры. В условном
обозначении корпуса первая группа цифр обозначает ти-
поразмер, вторая группа — количество внешних выво*
дов, а последняя цифра — порядковый регистрационный
номер.
Пример 4. Корпус 151 15-4 — корпус типа 1 (прямоугольный е
выводами в пределах основания), типоразмер 51, имеет 15 выводов,
модификация 4. ГОСТ устанавливает размеры корпусов.
Контрольные вопросы	_____
1.	Что называется интегральной микросхемой (ИМС)? Назови-
те типы ИМС по технологическому признаку. Какие ИМС относятся
к цифровым и аналоговым?
2.	Расскажите об устройстве полупроводниковой ИМС и спосо-
бах ее изготовления.
3.	Приведите примеры пленочных ИМС; отметьте особенности
тонкопленочных и толстопленочиых ИМС
4.	Какие ИМС называются гибридными? Отметьте их особен-
ности.
5.	Что вы знаете об активных элементах ИМС? Какая разница
между терминами «элемент» и «компонент»? Приведите примеры из»
готовления элементов и способов их изоляции и взаимосоедннений.
6.	Как изготавливают пассивные элементы ИМС? Отметьте спо-
собы реализации, например, диода из транзисторной структуры.
7.	Расскажите о разновидностях логических ИМС, что собой
представляют РТЛ, ДТЛ, ТТЛ и ПТТЛ-элемеиты?(иллюстрируйте ри-
сунками).
8.	Чем отличаются между собой различные виды триггеров? На-
рисуйте схему одного нз них.
9.	Назовите ИМС, входящие в группу аналоговых; объясните
устройство н прйнцип действия одной из них.
10.	Расскажите о функциональной классификации ИМС и услов-
ных обозначениях.
И. Что вы знаете о корпусах ИМС? Поясните рисунками.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
10.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ.
РАЗНОВИДНОСТИ ЭВМ
В решениях ЦК КПСС и Советского правительства
неизменно подчеркивается ведущая роль вычислитель-
ной техники в современном научно-техническом прогрес-
276
се, поскольку она позволяет повысить производитель-
ность труда и ускорить развитие производительных сил
общества.
К вычислительной технике относятся разнообразные
машины для переработки информации и решения задач
и в первую очередь ЭВМ.
Под информацией понимаются всякие сведения или
сообщения, зафиксированные на каком-либо носителе,
например, буквенно-цифровыми символами, или пред-
ставленные в виде импульсов напряжения (тока). К ин-
формации относятся исходные и промежуточные данные
задачи и конечные результаты ее решения. В вычисли-
тельной технике широко применяется кодирование, т. е.
представление информации одного вида в виде совокуп-
ности сигналов или знаков другого вида.
В разные исторические эпохи талантливые представители многих
народов создавали вычислительные механизмы для выполнения все-
возможных математических расчетов. Однако все эти механизмы от-
личались ограниченностью применений, малым быстродействием и
другими недостатками. Только выдающиеся успехи электроники обу-
словили бурное развитие вычислительной техники За короткий пе-
"рнод с 1945 г. по настоящее время сменилось трн поколения ЭВМ.
В четвертом поколении намечается всесторонний переход к использо-
ванию ИМС с большой степенью интеграции с плотностью элементов
в несколько десятков тысяч на 1 мм2 и повышение степени автома-
тизации вычислительных процессов.
Различают две большие группы ЭВМ: цифровые и аналоговые.
Цифровые ЭВМ оперируют дискретными (импульсными) электриче-
скими сигналами; в аналоговых сигналы изменяются непрерывно во
времени и по величине. По техническому исполнению ЭВМ подразде-
ляются на крупные вычислительные комплексы (системы) с автома-
тическим программным управлением н малогабаритные переносные
ЭВМ с ручным (клавишным) управлением. В зависимости от назна-
чения ЭВМ разделяют на универсальные и специализированные. Уни-
версальные ЭВМ предназначаются для решения различных по содер-
жанию задач, какие только могут встретиться в инженерных расче-
тах н научно-исследовательской деятельности; на универсальных
_ ЭВМ обрабатывают статистические данные и осуществляют Прогно-
зирование развития процессов в природе, обществе, технике. Важ-
нейшим отличительным признаком универсальных ЭВМ считается
гибкость программирования, т. е. возможность перестраивать машину
для решения различных по содержанию задач за минимально корот-
кое время
Специализированные ЭВМ используют для обработ-
ки информации по одной конкретной тематике, как, на-
пример, для учета рабочего времени и начисления зара-
ботной платы, управления технологическим оборудова-
нием, для постановки диагноза заболевания человека.
277
Специализированные ЭВМ условно делятся на управля-
ющие ЭВМ и машины типа ЗАПРОС — ОТВЕТ.
Управляющие ЭВМ функционируют по «жестким»
программам, которые меняют только в порядке модер-
низации производства; отличительным признаком счита-
ется также режим работы в реальном масштабе време-
ни, что диктуется темпом выполнения производственных
процессов.
Рнс. 10.1. Структурная схема технологического комплекса с управля-
ющей ЭВМ.
Структурная схема технологического оборудования
производственного процесса приведена на рис. 10.1. Уп-
равляемым объектом является группа станков и агрега-
тов, объединенных общим конвейером. В управляемый
объект вводятся материалы и энергия, на него воздей-
ствуют внешние условия, и он совершает полный цикл
изготовления готовой продукции (ГП). Включение от-
дельных агрегатов, темп подачи материалов, регулиро-
вание скорости осуществляет управляющая ЭВМ по
«жесткой» программе. Оборудование работает в режиме
непрерывных медленно изменяющихся сигналов, а ЭВМ
производит расчеты и вырабатывает управляющие сиг-
налы в цифровой—дискретной — форме. Преобразова-
ние цифровой информации в непрерывную осуществля-
ется блоком состоящим из электронного коммута-
тора К (распределителя) и преобразователя дискретных
-	/ Д \ „
значении в непрерывные —. Количество и качество про-
\ Н )
дукции контролируется с помощью преобразователей
неэлектрических параметров (датчиков), которые рабо-
278
тают также в непрерывном режиме; их сигналы преоб-
разуются в дискретные аналогичным коммутаторным
блоком К и поступают на вход ЭВМ, которая вносит
соответствующие поправки в команды. При возникнове-
нии аварийной ситуации сигналы с устройств прерыва-
ния П поступают на ЭВМ и машина учитывает их.
К машинам типа ЗАПРОС — ОТВЕТ относятся ЭВМ
для резервирования и продажи билетов в кассах транс-
портных предприятий, для обработки банковских доку-
ментов ит. д. Такие ЭВМ применяются для обслуживания
не технических объектов, а операторов и предназна-
чаются для выполнения конкретных задач, не меняю-
щихся в течение всего периода эксплуатации. Важней-
шими свойствами !ЭВМ этого класса должны быть вы-
сокое быстродействие и надежность. Информация в ви-
де запросов операторов поступает на центральный
пункт, оснащенный устройствами ввода — вывода ин-
формации, разветвленной памятью и другими блоками.
Получив запрос, ЭВМ выбирает из блока памяти введен-
ную в него ранее информацию и формирует ответ. Как
запрос, так и ответ фиксируются на лентах, бланках,
билетах и т. д.
10.2.	СОСТАВ ЦИФРОВОЙ ЭВМ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЕЕ ЧАСТЕЙ
Цифровой ЭВМ называется комплекс устройств с
общим управлением, предназначенный для автоматиче-
ского преобразования информации в соответствии с за-
ранее разработанной программой. На структурной схеме
(рис. 10.2) показаны составные части ЭВМ: устрой-
ство ввода исходной информации УВв, устройства запо-
минания информации: оперативное ОЗУ и внешнее ВЗУ,
арифметико-логическое устройство АЛУ, устройство уп-
равления УУ, пульт ручного управления ПУ и устройст-
ва вывода результатов переработки информации УВ.
Односторонние стрелки между устройствами указывают
на воздействие сигналов в прямом направлении; двусто-
ронними стрелками отражены обоюдные связи между
устройствами.
Устройства ввода — вывода состоят из аппаратуры,
принцип действия которой имеет много общих черт. Это—
перфораторы для перфокарт и перфолент, устройства
для считывания и контроля вводимой информации, пе-
279
чатные машинки, устройства отображения информации
и др. Устройства ввода преобразуют информацию из
формы, к которой люди привыкли в повседневной прак-
тике, в форму, наиболее удобную для машинной обра-
ботки; устройства вывода осуществляют обратные пре*
образования.
Запоминающие устройства (ЗУ) обеспечивают при*
ем, хранение и выдачу исходной информации, а также
Рнс. 10.2. Состав ЭВМ н взаимодействие ее частей.
промежуточных результатов ее переработки и готовых
результатов. К ЗУ предъявляются требования обеспече*
ния высокого быстродействия и большой информацией*
ной емкости. Согласовать эти требования удалось по-
строением разобщенных блоков: оперативного запоми-
нающего устройства (ОЗУ), внешнего запоминающего
устройства (ВЗУ), постоянного запоминающего устрой-
ства (ПЗУ) и сверхоперативного запоминающего уст-
ройства (СОЗУ).
Каждое из устройств различается принципом дейст-
вия, назначением, размещением и техническими харак-
теристиками. Так, например, ОЗУ строится на феррито-
вых магнитных кольцах емкостью от нескольких тысяч
до нескольких миллионов двоичных разрядов и часто
является самостоятельным блоком. Внешнее запоминаю-
щее устройство выполняется в виде накопителей па маг-
нитных дисках (НМД), магнитных лентах (НМЛ) и маг-
280
нитных барабанах (НМБ). Каждый из них обладает
большой информационной емкостью — до нескольких
миллионов единиц, но вследствие инерционности имеет
меньшее по сравнению с ОЗУ быстродействие.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназ-
качается для выполнения арифметических, логические
и других операций. К арифметическим операциям отно-
сятся сложение, вычитание, умножение и др.; логически-
ми операциями считаются сдвиги чисел, их сравнение,
нормализация и др.; предусмотрены также операции
пересылки чисел из ОЗУ в сумматор и результата в
ОЗУ, операции обращения к ВЗУ и др. АЛУ состоит из
регистров, сумматоров, счетчика команд и логических
элементов, скомпонованных в отдельном блоке. АЛУ
имеет, как правило, большое быстродействие — до не-
скольких миллионов операций в секунду. Высокое быст-
родействие достигается благодаря размещению СОЗУ
в непосредственной близости от решающих блоков, при-
менению высокочастотных элементов и оптимальному
схемному решению. АЛУ классифицируются по многим
признакам; их подразделяют на АЛУ последовательно-
го и параллельного действия; по способу представления
чисел — на АЛУ с фиксированной и с плавающей запя-
той.
Устройство управления (УУ) состоит из генератора
управляющих сигналов, счетчика команд, регистра
Команд, коммутатора адресов и других элементов.
УУ вырабатывает в соответствии с программой необхо-
димую последовательность функциональных сигналов,
которые обеспечивают координированное взаимодейст-
вие всех частей ЭВМ так, что весь процесс решения
производится автоматически. УУ выдает сигналы на
ввод и вывод исходных данных и командной информа-
ции в ЗУ и из ОЗУ в АЛУ; после обработки результат
Обычно отправляется в ОЗУ или выводится на аппарату-
ру вывода. УУ обеспечивает контроль выполняемых
операций; по командам УУ производится пуск и останов
машины.
Во многих ЭВМ АЛУ и УУ конструктивно размеще-
ны в одном блоке, который называется процессором
(на рис. 10.2 обведен пунктиром).
Пульт управления (ПУ) посредством кабеля соеди-
нен с устройством управления. ПУ обеспечивает связь
оператора с машиной, Оператор может произвести пуск
881
и останов машины, перевести ее работу с одного режи-
ма на другой, осуществить ручной ввод исходных дан-
ных и выдачу результатов. ПУ позволяет оператору
контролировать работу ЭВМ.
Как правило, все устройства ЭВМ выполвены в виде отдельных
блоков, в которых входные и выходные цепи подведены к штепсель-
ным разъемам и соединены кабелями. Быстродействие отдельных
устройств ЭВМ различно; чтобы не простаивало в бездействии наи-
более быстродействующее из них — процессор, ожидая завершения
ввода или вывода данных, в современных машинах обеспечивается
одновременная работа процессора и внешних устройств ввода —
вывода.	!
Взаимодействие частей цифровой ЭВМ. Многие ЭВМ приспособ-
лены для решения практических задач определенного класса. Маши-
на автоматически выполняет последовательность операций над те-
ми данными, которые заблаговременно записаны в программе ее ра-
боты в соответствии с алгоритмом решения задачи. Программа есть
последовательность команд, а команда — точное указание машине на
пересылку чисел из ячеек памяти, выполнение над ними определен-
ных действий и вынесение результата обратно в память или иа
выход. В команде заключена информация о виде операции, данных,
участвующих в этой операции, и адресах ячеек этих данных. Часть
команды, состоящая из данных и их адресов, называется операндом.
Алгоритмом называется общепринятый способ преобразования ис-
ходных данных в конечный результат. Чтобы машина могла автома-
тически, по программе, решить задачу, программа должна находить-
ся в ее оперативной памяти. Введение программы в ОЗУ ЭВМ назы-
вается загрузкой программы.
Составление программы производится по принципам, примени-
мым для каждой конкретной ЭВМ. При подготовке программы широ-
ко используются кодирование информации, символическая запись и,
как правило, бланки для такой записи. Числа, буквы, знаки и другие
символы задачи записываются на специальных бланках. Затем ин-
формация переносится на перфокарты или перфоленты. Эта про-
цедура выполняется иа перфораторах. Информация при этом коди-
руется в соответствии с таблицей кодов: каждая цифра, буква или
другой символ программы тождественно преобразуется в серию про-
бивок. С помощью устройств ввода программа вводится в ячейки
оперативной памяти, причем каждая команда — в ячейку с присвоен-
ным ей адресом.
Процесс решения задачи сводится к последовательному выполне-
нию команд программы. По сигналам ЧУУ команды пересылаются из
ОЗУ в АЛУ, где операнды команд подвергаются обработке — сло-
жению, вычитанию, умножению, сравнению и т. д.; результат опера-
ции отсылается обратно в ОЗУ. Результаты вычислений по специ-
альным командам программы выводятся на печатающее устройство.
10.3.	СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И ОПЕРАЦИИ НАД ЧИСЛАМИ.
КОДИРОВАНИЕ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
Счислением называют совокупность обозначений чи-
сел условными знаками (цифрами) и правил действий
над ними. В современных ЭВМ применяются двоичная,
282
восьмеричная, десятичная, шестнадцатиричная системы
счисления и некоторые другие формы представления
чисел. Каждая система обладает определенными досто-
инствами. Так, двоичная система легко реализуется
техническими средствами и имеет очень простые прави-
ла арифметических действий. На основе двоичной сис-
темы работают вычислительные устройства ЭВМ.
Восьмеричная и шестнадцатиричная системы позво-
ляют наиболее компактно записывать двоичные числа.
Числа, записанные в этих системах, легко вводить в ЗУ
и преобразовывать их в процессе вычислений в двоич-
ные, благодаря чему возросло быстродействие машин.
Десятичная система, которой пользуются повсеместно,
применяется при вводе исходных данных в ЭВМ и выда-
че результата из устройств вывода. Построение вычис-
лительных узлов и блоков машины на основе десятичной
системы считается нецелесообразным из-за сложности
конструкции элементов с десятью устойчивыми состоя-
ниями.
Различают позиционные и непозиционные системы
счисления. К позиционным системам относятся двоичная,
восьмеричная и др.
В позиционной системе число зависит от положения
цифр в ряду других цифр. Например, десятичное число
333,3 состоит из трех разрядов целой и одного разряда
дробной частей, а единица каждого старшего разряда
равна десяти единицам соседнего младшего разряда. В
разрядах каждая из цифр 3 имеет различный вес: пер-
вая слева 3 обозначает три сотни условных единиц, вто-
рая цифра — десятки, третья — единицы, а в последнем
справа разряде — дробную часть единицы. В двоичном
числе единица старшего разряда равна двум единицам
соседнего младшего разряда.
Римская система счисления — непозиционная, по-
скольку значение числа не зависит от положения цифры
в ряду цифр.
Представление числа в любой позиционной системе
счисления выражается формулой
Nq — knqn-[- kn—i qn 1 + .,. + kx q1 + k0q° +
+ k-iq 1 +	= у kt q'.
i
(10.1)
283
В этой формуле Nq обозначает число в q-и системе
счисления; каждое слагаемое ktq1 называют разрядом
числа, причем k=0, 1, 2,пг — коэффициент веса раз-
ряда и т— его максимальное значение; q — основание
системы.
Формула позволяет представлять числа как сумму
произведений разрядов с учетом веса каждого из них;
она позволяет также переходить от одной системы счи-
сления к другой. Применим ее для представления числа
183,75 в десятичной, двоичной и восьмеричной системах!
k2 q2 kx ql kQ q* k-t q"1	q~2
I i i I I
183,75(10> = 1 • 10a +8- ЮЧ-З-10«+7-10-1+5-10-2
183>75(10) = 1-2’ + 0-2e+l-26+ 1-24+0-23+l-2a + 1-21 +
128 +	0 +32 + 16 + 0	+4	+2
+ 1-2°+ l-2-i+ 1-2^= 10110111,11(2)
I I i
+ 1 +0,5 +0,25(2)
183,75(10) = 0-83 + 2-8a + 6-81 +7-8°+ 4-8-1 +
+ 8-8 2 + 7-8~3 +«,.== 267,487(8)
Индексы под числами обозначают систему счисления. В
повседневной практике формула (10.1) применяется в
сокращенном виде: число записывается коэффициента-
ми веса разрядов, а основание системы подразумевается!
183,75(ю)= 10110111,11(2)=267,487...(8).
Арифметические действия в двоичной системе очень
просты.
Сложение двоичных чисел: 0+0=0; 1+0=0+1 = 1.
В случае 1 + 1 = [1]0 единица переносится в старший
разряд. На примере сравним сложение двоичных и деся-
тичных чисел:
17-> 1.2* + 0-23 + 0-~2а + 0-2 + 1 • 2° = 10001
+ +
7---------------И-2а+ 1-2 + 1-2°= 111
24---------------------------------> 11000
При сложении более чем трех чисел в двоичной си-
стеме надо проявлять больше осторожности при перено-
се единицы в старшие разряды,
284
Вычитание двоичных чисел: 0—0=0; 1—0=1; 1—1=,
= 0; 10—1 = 1; в последнем случае единица занята в
старшем разряде.
17-> 1-24 + 0-23 + 0-22 + 0-2 + 1-2° =10001
7-------------> 1-22 + 1-2 + 1.2° = 111
10--------------------------------> 1010
Умножение двоичных чисел отличается от умножения
десятичных только «своей» таблицей умножения: 0-0 =
= 0; 0-1 = 1-0 = 0; 1-1 = 1.
17-	—>10001	98			->1100010
X	X	X	X
7-	—> 111	6			>но
	10001		0000000
	+ 10001		+ 1100010
	+ 10001		+ 1100010
119—	->1110111	588 			>1001001100
Деление двоичных чисел выполняется так же, как и
десятичных. Но поскольку двоичные числа состоят из
единиц и нулей, то деление сводится к многократному
000
В вычислительной технике часто употребляют способ представле-
ния чисел в двоичио-десятичиой и двоично-восьмеричной формах.
В двоичио-десятичной форме каждый разряд — цифра формируется
при помощи двоичных чисел, причем цифре соответствует тетрада-
285
четыре разряда двоичного числа. Например, десятичное число
1980,675 в двоично-десятичной форме запишется в виде
0001 1001 1000 0000, 0110 0111 0101
При вводе в ЭВМ исходных данных переход от восьмеричной
к двоичной системе осуществляется на клавишных машинах авто-
матически. В этом случае восьмеричное число записывается в виде
двоичных триад, например: 267(sr->010 НО 111 <г>
Перевод целых чисел одной системы в другую произ-
водится в соответствии с формулой (10.1) по таблицам
перевода или путем деления числа данной системы на
основание системы, в которую переводится число; в но-
вой системе оно отсчитывается по остаткам в направле-
нии от последнего к первому. Переведем числа 19 и 28 в
двоичные:
19	| 2
18	9	| 2
х
8	4	| 2
1	4	2	| 2
0 2
0
I
19= 10011
или еще:
0^1ч-3^7^14«-28:2
I	<1	I	I	I
1	1	1	0 0(1|
Операции над числами начинаются с того, что их
вводят в ячейки памяти ЭВМ. В зависимости от типа
машин двоичные числа представляются 16, 24, 32 и более
разрядами, что соответствует диапазону десятичных чи-
сел приблизительно от 1 до 109 (для 32-разрядного дво-
ичного числа).
Число состоит из целой и дробной частей. По способу
отделения целой части от дробной части числа ЭВМ под-
разделяются на машины с фиксированной запятой, с
плавающей запятой и универсальные. В ЭВМ с фикси-
рованной запятой положение запятой жестко закрепле-
но в определенном месте, обычно после знакового разря-
да, как показано на рис. 10.3, а. Числа записываются в
виде правильных дробей, которые необходимо умножать
на определенный масштабный коэффициент,
286
Числа с плавающей запятой представляются двумя группами
разрядов (рис. 10.3,6). Одна группа имеет больше разрядов, и число
в ией отображается без разделения на целую и дробную части, оно
называется мантиссой. Вторая группа содержит меньше разрядов;
число, заключенное в них, называется порядком и является показа-
телем степени множителя, на который надо умножить мантиссу,
чтобы отделить целую часть числа от дробной. Рассмотрим примерз
724,863 = 0,724 863-103 = 0,00724 863-105.
Знаковый разряд Цифровые разряды
га гэ эо л эг
Знаковый разряд
мантиссы
Рис. 10.3. Представление чисел в ЭВМ с фиксированной (а) и с пла-
вающей запятой (6).
В машине эта запись будет представлена так:
0	0 724863 003 или 0	0
Мантисс а ' Порядок Ф _ t
Знак	Знак	Знак Знак X
мантиссы поряд-	мантнс- поряд-
(числа)	на	сы ка
(+> (+) (+>
00724863 005
X---------------'	•——'
Мантисса Порядок
Крайние слева после запятой нули у мантиссы бесцельно загру-
жают память машины. Все типы ЭВМ способны нормализовать чис-
ла, т. е. сдвигать их влево для исключения нулей после запятой и
соответственно изменять порядок.
На ЭВМ можно выполнить все четыре арифметиче-
ские действия, но такая машина отличается более слож-
ной конструкцией. Если применить различные приемы
преобразования информации, то оказывается возмож-
ным все арифметические действия свести только к сло-
жению: вычитание — как сложение уменьшаемого с до-
полнением вычитаемого, умножение — как последова-
287
тельное n-кратное сложение множимого, деление — как
n-кратное вычитание делителя из делимого. Такие пре-
образования операций называются кодированием. Отме-
тим прямой, обратный, дополнительный и модифициро-
ванные коды.
Прямой код предназначен для преобразования зна-
ков чисел, участвующих в операциях, в числовой код:
знаку « + » соответствует 0, знаку «—» 1. В таком виде
действия над знаками подчиняются арифметическим пра-
вилам, их можно складывать, умножать и т. д. Для ко-
да знака в ЗУ отводится знаковый разряд (рис. 10.3).
Обратный код используется при формировании до-
полнения вычитаемого числа для замены вычитания
сложением. Для этого вместо знака «—» в знаковом
разряде ставят 1, в цифровых разрядах двоичного чис-
ла заменяют 1 на 0, а 0 на 1:
Апр ==—0,100010; Аобр = 1,011101;
при сложении обратных кодов образуется обратный код
суммы.
Дополнительный код отрицательного числа получа-
ется так же, как и обратный, только еще надо приба-
вить 1 к младшему разряду числа: Ащ,=—0,110111;
АдОП= 1,001001. В дополнительном коде и знаки и числа
складываются поразрядно, а возникающая в знаковом
разряде 1 переноса просто отбрасывается.
В процессе вычислений в ЭВМ может возникнуть переполнение
разрядной сетки, выявить которое легче всего посредством модифи-
цированных обратного и дополнительного кодов. В модифицирован-
ных кодах на изображение знака отводится ие один разряд, а два!
ЛпР=—0,110111; Л"бр = 11,001000; Л“оп = 11,001001.
10.4.	УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ
Устройства ввода (УВв) и устройства вывода (УВ)'
относятся к периферийным устройствам ЭВМ и предназ-
начаются для осуществления связи между человеком и
машиной. Посредством УВв команды вводятся в ЗУ, а
переработанная информация в удобном для практиче-
ского использования виде выдается УВ. В различных
ЭВМ применяются разнообразные типы УВв. К ним от-
носятся перфораторы карт и лент, контрольники, уст-
ройства считывания с перфокарт и перфолент, алфавит-
но-цифровые печатающие устройства, электрические пи-
288
шущие машинки и электронные устройства отображе-
ния информации. Основные требования к УВв — высо-
кое быстродействие, надежность, эксплуатационные
удобства.
Поскольку электромеханические блоки УВв имеют
небольшую скорость работы по сравнению с электрон-
ными блоками ОЗУ и АЛУ, каждая ЭВМ комплектуется
несколькими агрегатами для обеспечения одновременной
параллельной и независимой работы.
Перфораторы снабжены алфавитно-цифровой кла-
виатурой, дешифратором, механизмом электромагнит-
ных пуансонов, подающим и приемным карманами пер-
фокарт (емкостью до 800 шт.). Перфораторы служат
для кодирования алфавитно-цифровой информации и
нанесения ее на первичные носители информации — пер-
фокарты и перфоленты как в ручном, так и в автомати-
ческом режиме работы (в автоматическом режиме со
скоростью до 300 карт/мин).
Клавиатура перфораторов и алфавитно-цифровых печатающих
устройств содержит прописные и строчные буквы русского алфавита
от А до Я и буквы латинского алфавита, цифры от 0 до 9, знаки
типа +, —, «», /,	=.. различные символы н даже целые слова
(около 200 наименований). Клавиши соединены с пуансонами. Каж-
дый из клавишных символов кодируется набором пробивок в соответ-
ствии с перфокарточным кодом, например кодом КПК-12 для
ЕС ЭВМ. Другие перфораторы кодируют информацию кодами об-
мена информации КОИ-7 или ДКОИ-8.
Перфокарты изготавливают из картона размера-
ми 187,4X82,5X0,18 мм со срезанным верхним левым
углом (рис. 10.4). На лицевой стороне нанесена коорди-
натная сетка в виде 10 рядов цифр (позиций), образу-
ющих 80 вертикальных столбцов-колонок. Кроме того,
11-я и 12-я пробиваемые строки размещены над нулевым
рядом (строкой). Информация в виде пробивок-отвер-
стий соответствует 1, отсутствие пробивки—0. На одной
перфокарте можно разместить до 212=4096 пробивок
(теоретически). Каждому символу — цифре, букве, зна-
ку— отвечает своя комбинация пробивок на колонках.
Например, буква М закодирована пробивками на 12, 11,
4 и 8 строках, И — на 12, 0, 7 и 8 строках, Р — на 12, 11,
7 строках. Информация на карте располагается в той
последовательности, в какой она должна быть помеще-
на в ОЗУ.
Перфоленты изготовляются из плотной бумаги,
пробивки наносятся по линиям вдоль ленты; такие ли-
19- Ю7
289
нии называются дорожками, их бывает 5—8. На одной
из дорожек нанесены отверстия, используемые для про-
тяжки ленты и синхронизации ее движения. Ленты име-
ют ширину от 17,5 до 35 мм и длину до 200 м. Для об-
легчения поиска информации вся лента разделяется на
зоны по 5—20 м, которые отмечаются маркерными зна-
982 м и Р	1

ками — пробивками на
одной из дорожек.
Контрольники
используются для про-
верки правильности на-
несения пробивок на
картах и лентах. В
конструкции контроль-
иика имеется клавиш-
ное устройство и со-
пряженный с ним ме-
ханизм сравнения С
электрической сигнали-
зацией. Оператор наби-
Рис. 104. Наиболее распро-
страненный носитель инфор-
мации — перфокарта с не-
сколькими пробивками.
рает на клавиатуре исходные данные, как и при пер-
форировании. Если на перфокарте допущена ошибка,
загорается индикаторная лампа, и контрольник стопо-
рится.
Устройства считывания обеспечивают считывание
информации с перфокарт и перфолент при вводе ее в
ОЗУ. В конструкции устройства объединены механизм
подачи, транспортировки и укладки перфокарт, блоки
управления, синхронизации, восприятия — контроля и
блок сопряжения. Перфокарты поочередно перемещают-
ся из подающего кармана в приемный. При прохожде-
нии перфокарты через блок восприятия команд происхо-
дит считывание закодированной информации — преобра-
зование ее в электрические сигналы. Наиболее рас-
пространено считывание фотодиодами. Засвечивание
фотодиодов через пробивки производится лампами нака-
ливания. Сигналы фотодиодов усиливаются, и кодовые
290
комбинации через дешифратор поступают в ОЗУ. Преоб-
разование информации производится из перфокарточно-
го кода во внутримашинный, например в ЕС ЭВМ из
кода КПК-12 в код ДКОИ-8.
Алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ) позволя-
ют получать на ленте тексты, таблицы, ведомости, графики и другие
виды выходной информации в удобной для восприятия человеком
печатной форме Наиболее распространены электромеханические
АЦПУ последовательного и параллельного действия АЦПУ облада-
ют значительной инерционностью работы и не успевают фиксировать
информацию со скоростью получения результатов в ЭВМ Поэтому
в составе АЦПУ имеется буферное ЗУ для хранения выходной ин-
формации
Электрические пишущие машинки имеют клавишный механизм,
оснащенный электромагнитами, воздействующими на литерные рыча-
ги, кроме того, имеются блок управления и дешифратор. Они ис-
пользуются для непосредственного ввода данных в ЭВМ с клавиа-
туры и вывода данных на печатающее устройство
ЭВМ часто комплектуются электронными экранными пультами —
дисплеями, содержащими ЭЛТ В составе дисплея имеется буферное
ЗУ, электронный блок управления, клавиатура н другие узлы Ко-
ды знаков выходной инфррмации передаются нз ЭВМ в буферное
ЗУ и последовательно отображаются соответствующими знаками на
экране Отображение знаков производится по сигналам блока управ-
ления с помощью клавиатуры дисплея, можно производить редакти-
рование информации Можно стереть данные, запросить из ЭВМ но-
вые данные, откорректировать их и снова отослать в ЭВМ
10.J. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ ЭВМ
Памятью ЭВМ называются устройства для приема,
запоминания и выдачи информации, обрабатываемой в
ЭВМ. К информации относятся программа решения за-
дачи, исходные данные, промежуточные и конечные ре-
зультаты. Единицами информации являются слова, со-
стоящие из двух или более байтов — слогов. В одном
байте содержится восемь двоичных разрядов — бит.
Множество слов составляет массив информации или
файл. Устройство памяти разбито на ячейки, в каждой
из которых хранится одно слово.
Устройства памяти обладают иерархической (много-
уровневой) структурой, что отвечает противоречивым
требованиям к памяти: большая емкость, большое
быстродействие, высокая надежность, низкая стоимость
и т. д.
Различают оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ), постоянное (ПЗУ), сверхоперативное (СОЗУ) и
внешние устройства (ВЗУ).
19*
291
Оперативное запоминающее устройство связано с
устройствами ввода и непосредственно взаимодействует
с процессором при выполнении операций: команды и
операнды поступают из ОЗУ в процессор, а результаты
цх обработки направляются для хранения обратно в
ОЗУ. ОЗУ образуется из большого числа ячеек, каждая
из которых предназначается для хранения одного ма-
шинного слова со своим адресом. Ячейки выполняются
Рис 10 5. Элемент памяти — ферритовое кольцо (а) и его характери-
стика намагниченности (б).
на основе ферритовых колец с прямоугольной гистере-
зисной характеристикой намагничивания. ОЗУ имеют
высокое быстродействие (0,5—10 мкс) и большую ем-
кость (от нескольких десятков тысяч до нескольких мил-
лионов бит), высокую надежность работы, возможность
хранить информацию без затрат энергии. Применение
ферритовых колец основано на их свойстве перемагни-
чиваться и длительно сохранять одно из двух состояний
намагниченности.
Принцип действия элемента памяти на ферритовом коль-
це показан на рис. 10.5 Кольцо пронизано треми проводниками, об-
разующими одновнтковые обмотки. Запись информации осуществля-
ется путем намагничивания кольца в одном из направлений. Инфор-
мацию, тождественную 1, условились считать при намагничивании
кольца импульсом тока до индукции +В, соответствующей макси-
мальной напряженности +Нт (рнс. 10.5, б). Намагниченность кольца
в другом направлении —В соответствует состоянию 0. Изменение
намагниченности от +В до —В может быть произведено либо одним
значительным импульсом тока (/», Iv) в одном из проводников, ли-
бо несколькими совпадающими по направлению и по времени полу-
тонами в двух (или более) проводянках: 1^2+1и/2^1т.
Считывание информации производится при пропускании тока
противоположного направления по тем же проводникам. При пере-
магничивании кольца в обмотке считывания наводится ЭДС ес —’
292
сигнал считывания Если направления намагниченности и тока совпа-
дают, то в обмотке считывания сигнал не возникнет (ео=0). Счи-
тывание сопровождается стиранием старой информации.
В реальных конструкциях ОЗУ из колец комплектуют ячейки
памяти, расположенные упорядоченно—по строкам (шинам х) и
столбцам (шинам у), как на рнс. 10 6. Каждая ячейка предназнача-
ется для хранения информации в одно слово (2 байта). Ячейки об-
разуют матрицу: такая структура упрощает распределение единиц
информации по адресам ЗУ, ее поиск и считывание; прн этом сни-
жается влияние помех н повышается быстродействие. Информация
запишется только в тех кольцах, в горизонтальных и вертикальных
шннах которых одновременно пройдут импульсы полутоков одина-
ковой полярности /х/2+4/2, один
из них не в состоянии перемагни-
тить сердечник. Для записи и счи-
тывания используются одни и те
же обмотки (шины), а выходной
шнной является общий проводник,
пронизывающий последовательно
все кольца.
Рис. 10 6. Матрица памяти нз фер-
ритовых колец.
Из совокупности матриц формируется ферритовый
куб памяти—запоминающий массив (ЗМ), называемый
оперативным запоминающим устройством. В феррито-
вом кубе содержится до5-105 колец (емкостьюдо 500 ки-
лобит информации). В современных ОЗУ применяются
кольца диаметром от 2 до 0,5 мм с током перемагничи-
вания до 0,5 А и выходным сигналом до 50 мВ.
Помимо запоминающего массива в ОЗУ нмеютси регистры адре-
са, информационный регистр, блок адресной выборки с дешифрато-
ром адресов, усилители-формирователи н блок управления памятью.
Обращение к памяти инициируется сигналом нз УУ, который прохо-
дит через регистр адреса, блок выборки и усилители в соответствую-
щие ячейки памяти; при этом информация или записывается, или
считывается. Считываемая информация передается в информацион-
ный регистр на выходные шины.
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) пред-
назначаются для хранения программ в специализиро-
ванных ЭВМ или как дополнительная память для хране-
ния табличных функций, констант и других данных в
универсальных ЭВМ. ПЗУ состоит из ЗМ, регистра ад-
реса с дешифратором и информационного регистра. Наи-
более распространенными запоминающими элементами
являются трансформаторы разъемной конструкции,
293
магнитопроводы которых обладают характеристикой на-
магничивания, близкой к линейной. Обмотки считывания
выполняются многовитковыми, создающими высокий вы-
ходной сигнал (около 1 В) при небольшом входном токе
(50—150 мА); быстродействие 0,3—0,8 мкс; емкость до-
ходит до нескольких килобайтов.
Сверхоперативные запоминающие устройства
(СОЗУ) размещаются, как и ПЗУ, непосредственно в
процессорах. СОЗУ обладает небольшим объемом памя-
ти (до нескольких сотен слов) и высоким быстродейст-
вием (до 0,5 мкс). СОЗУ используются для временного
хранения операндов и служебной информации; они реа-
лизуются, как правило, на интегральных схемах разной
степени интеграции.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предна-
значаются для записи, хранения и выдачи больших мас-
сивов информации, часто используемой при решении
сложных задач. Они обладают большой емкостью — до
нескольких^сотен мегабайтов в одном блоке, но значи-
тельно большим по сравнению с ОЗУ временем обраще-
ния к памяти — до нескольких секунд. Они компактны,
надежны, сравнительно дешевы, удобны в эксплуатации.
ВЗУ относятся к электромеханическим устройствам,
их часто называют накопителями. В практике распрост-
ранены накопители на магнитных лентах (НМЛ), нако-
пители на магнитных дисках (НМД) и накопители на
магнитных барабанах (НМБ).
Принцип действия ВЗУ основан иа взаимодействии
движущегося магнитного слоя ленты (диска) и непод-
вижных магнитных головок. Запоминающими элемента-
ми являются участки магнитного слоя, изотропного во
всех направлениях.
Магнитные головки представляют собой миниатюр-
ные электромагниты, располагаемые в непосредственной
близости от магнитного слоя носителя информации; они
предназначаются для намагничивания участков магнит-
ной поверхности при записи информации и для ее считы-
вания. Устройство магнитной головки показано на рис.
10.7,6. Она состоит из магнитопровода 1, обмотки 2,
зазора между полюсами 3 и магнитного слоя 4, движу-
щегося в направлении, показанном стрелкой 5.
Один из способов записи числа, например 1001, поясняется
диаграммой и^ рис. 10.7, в. Проходящие по обмотке импульсы тока
возбуждают в магиитопроводе магнитный поток Ф, причем импульсу
294
тока 1 соответствует направление магнитных линий в одну сторону
(Ф>0), импульсу 0 — в противоположном направлении (ФСО)
Намагниченность участков сохраняется длительное время без затрат
энергии
Считывание осуществляется этой же или другой головкой при
повторном движении магнитного слоя около зазора Изменение маг-
нитной индукции в зазоре считывающей головки (и в ее магнитопро-
воде) индуктирует в обмотке ЭДС ео. После усиления будет сфор-
мирован записанный код числа 1001.
Рис. 10 7. Схема взаимодействия магнитной головки с лентой (а и б),
один из вариантов записи и воспроизведения информации (в).
Накопители на магнитных лентах (НМЛ) являются
наиболее распространенными устройствами внешней па-
мяти ЭВМ. Носителем информации является магнитная
лента шириной 12,7 мм, толщиной 35—45 мкм и длиной
до 750 м, намотанная на катушки диаметром до 267 мм.
В накопителях ЕС ЭВМ информация записывается
по девяти дорожкам шириной в 1 мм каждая с плотно-
стью записи от 8 до 60 бит/мм (в зависимости от типа
ЭВМ). Вся леита разбита на зоны длиной от 18 до
2048 байт; максимальная информационная емкость ка-
тушки с лентой в 750 м составляет от 5,5 до 44 Мбайт
(в зависимости от плотности записи).
Устройство НМЛ показано иа рнс. 10 8: подающая и при-
емная катушки / и 7 магнитной ленты 2, вакуумные колонки 3 и 10,
ведущие ролики 4 и 8, блок записывающих — считывающих магнит-
ных головок 5, направляющий канал ленты 6, фотоэлектрические
преобразователи высоты компенсационной петли ленты 9, направле-
ние отсоса воздуха из колонок 11 Движение магнитной ленты в
одну или другую сторону при записи и считывании исходной инфор-
мации (кодов чисел) осуществляется одним из ведущих роликов,
с постоянной частотой вращения (например, 3000 об/мян) в раз-
ные стороны Прижим ленты к поверхности роликов (или оттал-
кивание от нее) производится соответственно разрежением (или из-
быточным давлением) воздуха в полостях роликов. Чтобы умень-
295
шить влияние моментов инерции катушек с лентой при разгоне И'
тврможеиии и сократить время поиска необходимой информации при
обращении к памяти, поддерживается непрерывный режим движения
ленты и определенная длина компенсационной петли. Для этой же
цели накопитель имеет автоматическую следящую систему с авто-
номным (независимым) усилителем и электроприводом, который уп-
равляется сигналами от фотопреобразователей. Разрежение воздуха
обеспечивается либо от центральной насосной станции, либо с по-
мощью воздушного насоса,
встроенного в корпус накопителя.
Запись информации (или
воспроизведение) производится по всем
дорожкам одновременно. Стартстопный
механизм (на рисунке не показан) пред-
назначается дли мгновенной остановки
ленты нли переключения направлении
ее движения. Действие этого механизма
основано на управлении переключением
давления воздушной струн в полостях
ведущих роликов. Согласованная работа
Рис. 10.8. Принцип устройства накопите-
ля информации на магнитной ленте
(НМЛ).
всех механизмов накопителя при записи и считывании информации
обеспечивается как от центрального устройства управления ЭВМ,
так и при помощи местного блока управления с пультом.
Накопители на магнитных дисках (НМД) сочетают
большую информационную емкость со сравнительно не-
большим временем обращения к памяти. Носителями
информации служат тонкие легкие диски из прочного
материала с ферромагнитными поверхностями. Стан-
дартные накопители с постоянными или сменными дис-
ками выполняются в виде пакетов из шести дисков, ук-
репленных на одной оси, десять внутренних поверхно-
стей которых являются рабочими. Дцдметр дисков в раз-
личных накопителях колеблется рт 250 До 650 мм, их
толщина 2—2,5 мм, расетояййе между ними 10—15 мм.
Информация записывается на рабочих поверхностях
дискрв по 200 концентрическим окружностям, каждая из
которых имеет ширину 0,2 мм, а шаг между ними 0,3—
0,5 мм. На всех дорожках записывается одинаковое ко-
личество информации (с различной плотностью запи-
си)— примерно по 3625 байт.
Запись и считывание информации производится десятью уни-
версальными магнитными головками, укрепленными на каретке и об-
ладающими возможностью перемещаться в радиальном направлении'
296
между дисками на контролируемое расстояние. В рабочем положе-
нии головки прижимаются к магнитным дорожкам сжатым воздухом.
Накопители на магнитных барабанах (НМБ) наряду
с другими типами накопителей находят широкое приме-
нение в ЭВМ. Магнитный барабан — это полый цилиндр
нз алюминия или пластмассы диаметром 200—500 мм и
длиной до 600 мм с нанесенным на его поверхность маг-
нитным слоем. Барабан закреплен в опорах и приво-
дится во вращение с постоянной частотой (2—3 тыс.
об/мин) отдельным электродвигателем. Непосредствен-
но к барабану вдоль его образующей примыкает блок
из нескольких сотен универсальных магнитных головок.
В состав накопителя кроме барабана входят блоки уп-
равления, кодирования информации, записи и воспроиз-
ведения, коммутации, пульт управления и др. НМБ отно-
сится к медленно действующим внешним ЗУ: время об-
ращения к памяти достигает нескольких секунд, поэтому
в комплекте ЭВМ их содержится по нескольку штук для
параллельной и независимой работы.
Одна из магнитных головок (обычно крайняя слева)
записывает сосчитанные синхронизирующие сигналы,'
причем первый и последний из них имеют отличитель-
ные признаки. Параллельно с синхронизирующими сиг-
налами на других дорожках записываются сигналы, под-
лежащие запоминанию. При считывании счетчик им-
пульсов, регистр адреса и сравнивающее устройство
находят требуемые данные, занесенные в любую маг-
нитную строку вращающегося барабана.
40.6. ПРОЦЕССОРЫ
Процессором называют центральную часть ЭВМ, ко-
торая состоит из арифметико-логического устройства
(АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ обрабаты-
вает закодированную числовую информацию по задан-
ной Программе, а УУ осуществляет автоматическое уп-
равление вычислительным процессом и взаимодействи-
ем всех устройств ЭВМ.
Арифметико-логическое устройство содержит реги-
стры, сумматор, отдельные логические узлы и элементы.
По использованию элементов и их взаимосвязям АЛУ
подразделяются на универсальные, комбинированные и
блочные. АЛУ универсального типа показано на рис.
10.9. АЛУ содержит приемные «-разрядные регистры Рг1
4 297
и Рг2, входные регистры в сумматоре РгА и РгВ, сумма-
тор Си и выходной регистр сумматора РгСм-, в АЛУ
имеется еще ряд регистров (кроме РгЗ) и различных ло-
гических элементов, не показанных на рисуИке. Количе-
ство разрядов в регистрах зависит от типа ЭВМ: в ЕС-
1020 регистры 8- и 16-разрядные, в ЕС-1050—64-разряд-
ные (на четыре слова).
1-е
слагаемое
из ОЛУ
2-е
слагаемое
из ОЗУ
° В логический узел
Мы
чисел
Рг1
PrZ
О
В логический узел
---»~ОООУ
Л-7
Рис. Ю.9. Универсальное арифметико-логическое устройство процес-
сора.
Приемные регистры Рг1 и РгЗ служат для размещения в них
операндов (слов), извлеченных из памяти и предназначенных для
арифметической обработки, например, уменьшаемого и вычитаемого.
Регистры сумматора РгА и РгВ непосредственно участвуют в опе-
рациях. Сумматор См выполнен, как правило, комбинационным. Он
осуществляет арифметические и логические действии над числами
(операндами). В некоторых типа АЛУ сумматор как самостоятель-
ный блок в явном виде не представлен, а его функции выполняют
регистры н логические элементы, переключаемые по программе ком-
мутатором.
Сумматоры являются основой АЛУ. На сумматорах
реализуются все четыре арифметических действия: сло-
жение, вычитание, умножение и деление. По принципу
действия сумматоры подразделяются на комбинацион-
ные и накапливающие. В комбинационных сумматорах
не содержатся элементы с памятью, как, например, триг-
геры. Они состоят из логических элементов НЕ, И, ИЛИ,
которые формируют результат операции при одновре-
менном присутствии на входе и во внутренних цепях
электрических сигналов — кодов чисел. Накапливающие
сумматоры, кроме элементов НЕ, И, ИЛИ, содержат еще
233
- \
внутренние запоминающие элементы, например тригге-
ры. Такие сумматоры выполняют операции над числами
как одновременно действующими в цепях, так и сдвину-
тыми во времени. Еще по одному признаку различают
сумматоры параллельного действия и сумматоры после-
довательного действия. Широко встречаются сумматоры
Рис. 1010 Схема устройства
двухвходового комбинационно-
го сумматора (а), сумматора
иа три входа (б) и их услов-
ные обозначения (в, г).
Рис. 10.11. Схема, поясняющая
прохождение сигналов при сум-
мировании четырехразрядного
двоичного числа.
двух- и трехвходовые, первые из них часто называют по-
лусумматорами.
Сумматоры выполняют, как правило, на основе интегральных
микросхем. Устройство и принцип действия комбинационного сумма-
тора на два входа поясняется рис. 10.10, а. Он состоит из элементов
И, ИЛИ и НЕ. Цепи А и В называются входами, цепь Р предназна-
чается для вывода суммы чисел двух соседних разрядов, a Q — для пе-
реноса 1 в старший разряд. Если иа входы А и В одновременно по-
дать для сложения два одинаковых сигнала, например 1, то следует
ожидать на выходе Р сигнал 0, а на выходе Q — единицу переноса
в старший разряд. В комбинации сигналов А+В=0+1 элемент И1
будет закрыт; на входе элемента НЕ и в цепи Q возникнут сигна-
лы 0, а иа выходе — соответственно 1. Сигнал В—1 пройдет через
элемент ИЛИ и при совпадении двух 1 элемент И2 пропустит одну
из них на выход Р. Аналогичный эффект получим и при А+В=1+0.
Если А=0 и В=0, то и на выходах Р=0 и Q=0. Для сложения 2п
двоичных чисел требуется п двухиходовых сумматоров,
299
В трехвходовых сумматорах складываемые числа по-
даются на два первых входа, единица переноса из стар-
шего разряда — на третий вход. На один трехвходовой
сумматор требуется два полусумматора и один элемент
ИЛИ (рис. 10.10,6). Первый сумматор См1 складывает
двоичные числа А и В, во втором — к сумме прибавляет-
ся 1 переноса из младшего разряда. Результат появля-
ется на выходе Р, а если при этом возникает перенос, то
1 проходит через элемент ИЛИ на выход Q — в старший
разряд. Условное обозначение полусумматора показано
на рис. 10.10,в, а трехвходового сумматора — на рис.
10.10,г.
Принцип действия АЛУ (см. рис. 10.9) заключается в
поочередном выполнении команд. Вначале все регистры и другие уз-
лы очищаются, если требуется, от результатов предшествующих опе-
раций. После этого по сигналам УУ формируются подлежащие обра-
ботке операнды и переносятся в регистры. Длинные операнды могут
быть частично размещены в регистре РгЗ. Этот регистр используется
также для сдвига влево или вправо при умножении или делении.
Операнды поступают в сумматор через регистры РгА и РгВ в пря-
мом или обратном коде. Результат сложения кодов переносится в
РгСм, и если требуется, перенос сопровождается сдвигом влево на
2 или 4 разряда (4л) или вправо (2п). На рисунке этот процесс по-
казан стрелками с надписью: 4л и 2п.
Проследим процесс сложения двух чисел на четырехразрядном
сумматоре параллельного действия по рис. 10.11. Сумматор состоит
из двух групп последовательно включенных полусумматоров См1—
См7 и элементов И1—ИЗ, коммутирующих цепи сумматоров; входа-
ми являются цепи х,У(, обозначенные а, и 6,- соответственно, а вы-
ходами Zj. Положительные числа поступают из ОЗУ в приемные
регистры АЛУ в прямом коде, отрицательные — в дополнительном
коде. Представим двоичные числа в виде: А=а4азага1=1011(2)=11(1о),
6=64636261 = 1101 (2)= 13(Ю). Числа переносятся из входных регист-
ров попарно в каждую из ячеек сумматора (рис. 10.11). Ячейка
младшего разряда расположена сверху, ячейка старшего разряда —
снизу*. <Xi+6i=l + l; П2+б2=1 + 0; Пз+6з=0+1; 04+64=1 + 1. Сум-
маторы См1—См4 выполняют первый этап сложения, причем в млад-
шем разряде возникают 0 на выходе Pi и 1 — на выходе переноса Q.
В сумматоре См2 складываются числа второго разряда 1+0 и ре-
зультат появляется на выходах Pi (1), Qi (0). Аналогично действу-
ют сумматоры См3 и См4.
Результат сложения всех чисел с учетом переносов 1 из млад-
ших разридов в старшие формируется с участием сумматоров вто-
рой группы См5—См7 и вспомогательных двухвходовых элементов
И. При возникновении единиц переноса элементы И открываются
и 1 переходят на входные цепи сумматоров второй группы старших
разрядов. Результат Z на выходе сумматоров второй группы Z =
=Z4Z3z2z1 = 11000(2)=24(io) поступает на регистры РгСм (см.
рис. 10.9) и, если больше не потребуется, пересылается в ОЗУ,
300
Умножение и деление. Перед умножением
множимое помещается в один регистр, множитель — в
другой сдвигающий регистр. Процесс умножения двоич-
ных чисел состоит из многократных суммирований мно-
жимого и множителя со сдвигами результатов — частных
(текущих) сумм вправо. Суммирование производится в
сумматорах, а частные суммы переносятся после каждо-
го шага в регистр РгСм (см. рис. 10.9), а оттуда в осво-
бодившиеся ячейки входных регистров Рг2, РгЗ. Окон-
чательное произведение из регистров Рг2, РгЗ через ре-
гистр РгВ, суммартор См и РгСм отсылается в ОЗУ.
Деление осуществляется многократным вычитанием де-
лителя из делимого, сопровождается сдвигами разности
на разряд влево с последующим переносом результатов
в регистры и далее в ОЗУ. Часто деление заменяется
умножением числа на обратную величину делителя
А :В=Л(1/В).
Устройство управления выполняется в виде совокуп-
ности функциональных блоков, размещенных совместно
с блоками АЛУ и часто взаимодополняющих друг друга
в работе. Построение УУ обусловливается структурой
команд ЭВМ. Команда состоит из двух частей — опера-
ционной и адресной. Операционная часть является ко-
дом операции — сложить, умножить, сдвинуть, сравнить
и т. д.; у мощных ЭВМ набор операций доходит до 200
видов. Адресная часть команды определяет операнды,
участвующие в операции; обычно здесь записываются
один, два, три или четыре адреса ячеек ОЗУ или номе-
ров регистров в зависимости от типа ЭВМ; более рас-
пространены двухадресные ЭВМ.
Выборка команд может быть естественной, когда ис-
полняется очередная команда, размещенная в следую-
щей по порядку соседней ячейке, и принудительной, ког-
да команды занесены в ячейки памяти, не расположен-
ные рядом.
Известны два принципа построения УУ: со схемной
(или «жесткой») логикой и микропрограммные (с за-
поминаемой логикой). При схемной логике УУ со-
стоят из набора комбинационных элементов, которые в
заданные моменты времени, определяемые тактовыми
импульсами, возбуждают сигналы, управляющие различ-
ными узлами ЭВМ. При большом перечне операций ком-
бинационные узлы становятся сложными и управление
ими менее удобным по сравнению с микропрограммным.
301
Микропрограммное УУ основано на введении в схе-
му УУ постоянного ЗУ небольшой емкости (ПЗУ) с вы-
соким быстродействием, в которое заносятся для непро-
должительного хранения микрокоманды, подлежащие
исполнению (каждая команда программы реализуется
последовательностью микрокоманд). Набор микрокоманд
одной из операций называется микропрограммой данной
Рис. 10 12 Структурная схема микропрограммного устройства управ-
ления (УУ) процессором.
операции. Упрощенная схема микропрограммного УУ
показана на рис. 10.12. УУ состоит из узла формирова-
ния адреса микрокоманд УФА, постоянного ЗУ микро-
команд ПЗУ с регистрами РгА и РгВ. В УУ входит де-
шифратор микроопераций Дш, вырабатывающий управ-
ляющие сигналы УС, поступающие в АЛУ. Устройство
управления связано через регистр Рг1 с ОЗУ и с бло-
ком синхронизирующих импульсов БСИ, размещенным
вне УУ.
Принцип действия. Небольшая группа кодов
операций переносится из ОЗУ в ПЗУ, при этом операции
расчленяются на микрооперации, состоящие из микро-
команд адресов и микрокоманд операций. Под воздей-
ствием синхроимпульсов УФА выдает код адреса соот-
ветствующей микрокоманды; код адреса зависит также
от состояния решающих блоков АЛУ. Одна группа раз-
рядов регистра РгВ ПЗУ представляет код очередной
микрооперации, а другая — код адреса следующей мик-
рокоманды; код микрооперации поступает на Дш для
выработки управляющего сигнала УС, а код адреса пе-
реносится в УФА для подготовки следующей микро-
команды. Управляющие сигналы воздействуют на реша-
ющие блоки АЛУ, разрешая его регистрам прием опе-
рандов, подлежащих обработке. Результат операции из
302
Таблица 10 1
	Быстро-	Емкость, байты			
Тип ма- шины	действие, тыс. опе- раций в секунду	ОЗУ, тыс	НМД, млн.	НМЛ, млн.	Примечания
ЕС-1022
80
128— 15—60 80—160
512
ЕС-1033
200
256 или 15—60 До 160
512
ЕС-1050
450
До Ю24 60—120
Не ог-
раниче-
на
1. Возможно подключать
до 128 медленных и 2
быстрых каналов об-
мена данными
2. Предназначается для
вычислительных цент-
ров организаций
1.	Можно решать одно-
временно 15 задач
2.	Возможно подключать
до 250 медленных и 3
быстрых канала об-
мена данными
3.	Предназначается для
крупных вычислитель-
ных центров, отрасле-
вых АСУ
1.	Можно решать не-
сколько десятков за-
дач одновременно
2.	Возможно подключать
256 медленных и 6
быстрых каналов об-
мена данными
3.	Предназначается для
крупных вычислитель-
ных центров и АСУ
АЛУ переносится в оперативную память, а сигнал об
окончании операции — в УФА, после чего все процессы
повторяются над новыми микрокомандами. Микропро-
граммный метод облегчает перенастройку ЭВМ для ре-
шения различных задач, что осуществляется заменой од-
ного блока ПЗУ другим.
Пульт управления осуществляет связь человека —
оператора и ЭВМ как в ходе вычислительного процесса,
так и в подготовке машины к тому или иному режиму
работы. Некоторые ЭВМ имеют по два и более пультов.
На передней панели пульта размещены органы управ-
ления— ручки выключателей и переключателей, кл?ви-
ши и кнопки пуска, а также устройства контроля пара-
метров и индикаторы электрических сигналов.
303
Первоначальный ввод программы осуществляется на-
жатием соответствующей кнопки. В результате на ре-
гистр команд АЛУ заносится команда ввода, программа
загружается в память и затем производится ее автома-
тическое выполнение. Оперируя клавишами и тумблера-
ми, программист может приостановить процесс вычисле-
ний и изменить порядок работы ЭВМ.
Основные характеристики некоторых ЭВМ
Единой системы для примера приведены в табл. 10.1, в
которой отражено быстродействие машин в тысячах опе-
раций в секунду. Важнейшим показателем считается так-
же емкость запоминающих устройств, показанная в ко-
лонках 3, 4 и 5.
10.7. ПОНЯТИЕ О ПРОГРАММИРОВАНИИ
ЭВМ оперирует электрическими кодами двоичных,
двоично-десятичных, восьмеричных и других чисел. Со-
вокупность электрических кодов составляет програм-
му— машинный язык. Машина выполняет лишь самые
простые арифметические, логические и служебные опе-
рации. Поэтому математические задачи должны быть
представлены на машинном языке.
Преобразование уравнений, неравенств и других ма-
тематических выражений на язык машины выполняется
на основе алгоритмов и сводится к расчленению их на
элементарные части и составлению последовательности
команд — машинных кодов; процесс составления такой
последовательности называется программированием.
Программа решения задачи содержит от нескольких со-
тен до нескольких тысяч команд; часто программы име-
ют сложную структуру с большим количеством связей.
При программировании в памяти машины отводя’гся
ячейки для хранения исходных данных (искомых пере-
менных, их числовых значений) и команд — кодов опе-
раций с адресами. Числа и команды могут храниться
как в одних и тех же ячейках памяти, так и в различных
ячейках, адреса которых должны быть известны.
Программирование тесно связано с конструкцией
ЭВМ: различные типы имеют свой алгоритмический
язык. Известно более 2000 алгоритмических языков раз-
ного уровня развития. К языкам высокого уровня отно-
сятся АЛГОЛ, ФОРТРАН, АССЕМБЛЕР, ПЛ/1 и др.;
они имеют весьма разветвленную структуру, состоят, как
304
правило, из комплекта подпрограмм, программы-диспет-
чера, программы-транслятора, стандартных и других
программ, в совокупности образующих библиотеку про-
грамм данного алгоритмического языка.
Элементы алгоритмических языков. Алгоритмичес-
кие языки (АЛГОЛ, ФОРТРАН и др.) строятся из набо-
ра основных символов (алфавита), выражений и опера-
торов, посредством которых записываются алгоритмы
в формульно-словесном виде. Основные символы разде-
ляются на четыре группы: цифры, буквы, логические зна-
чения и ограничители. К цифрам относятся десять араб-
ских цифр (0—9), которыми записываются любые числа.
Группа букв содержит все буквы латинского алфа-
вита (строчные и прописные) и те буквы русского, ко-
торых нет в латинском алфавите. Буквы используются
в алгоритмическом языке не только для формирования
слов, но и для обозначения различных отличительных
признаков.
Группа логических символов состоит из двух слов:
true (истина) и false (ложь); ими обозначают значения
логических переменных и выражений (по установившей-
ся традиции — в английской транскрипции).
Группа ограничителей содержит знаки операций,
разделители, скобки, описатели и другие знаки. К зна-
кам операций относятся знаки арифметических и логи-
ческих операций, операций отношения (<, >,	=
и др.), операций следования (go to — перейти к, do —
выполнить и т. д.). Скобками считаются не только кру-
глые и прямоугольные, но и так называемые оператор-
ные скобки—begin (начало) и end (конец), которыми
начинается и заканчивается участок программы.
Выражения представляют собой группы слов, описы-
вающих свойство объектов программирования: real
array — массив из действительных чисел, integer
array — массив из вещественных чисел и т. д. Опера-
тор— это некоторый определенный этап вычислительного
процесса. Оператор обозначается различно — одной-дву-
мя буквами или группой букв. Количество операторов
в разных типах языков различно, например, в АЛГОЛе
их восемь: группа основных и группа производных опе-
раторов. К основным относятся операторы: присваива-
ния, перехода, процедуры и пустой; к производным
относятся составной, условного перехода, цикла, блок-опе-
раторы; каждый из них имеет разновидности. В алгорит-
20— 107
305
мических языках содержатся и другие категории поня-
тий, используемые для представления сложных зависи-
мостей.
Организация и методы программирования. Составле-
ние программы начинается с разработки алгоритма. При
этом выясняется возможность использования ранее со-
ставленных или стандартных программ, их фрагментов,
а также уточняются границы вновь разрабатываемых
участков. Различают два вида программирования: авто-
матическое программирование и ручное; в первом слу-
чае алгоритм решения задачи записывается на алгорит-
мическом языке и затем транслируется (переводится)
на машинный язык конкретной ЭВМ. Это процедура
осуществляется программой-транслятором, которая на-
ряду с другими программами входит в состав програм-
много обеспечения ЭВМ н часто хранится в памяти
ЭВМ. Ручное программирование производится для за-
дач, аналоги которых ранее не встречались, и вследст-
вие большой трудоемкости используется редко.
При программировании стремятся создать компакт-
ную, удобообозримую и экономичную по числу операций
программу. Решение задачи на ЭВМ слагается из не-
скольких основных этапов: 1) формулирование задачи
и определение конечных целей; 2) математическое опи-
сание задачи, разработка способа описания задачи;
3) анализ численных методов решения и выбор одного
из них; 4) разработка алгоритма решения, т. е. состав-
ление программы в машинных кодах с распределением
ячеек памяти; 5) введение (загрузка) программы в ма-
шину, отладка и контрольная проверка отдельных уча-
стков программы; 6) выполнение счета на машине, вы-
вод и обработка результатов счета.
В каждом конкретном случае изучаются приемлемые
варианты, учитываются различные условия. Так, напри-
мер, при анализе численных методов решения исследу-
ют и метод последовательных приближений (метод ите-
раций), и метод замены функций простыми арифметиче-
скими выражениями, и интерполирование функций и т. д.
Разработка программы или участка — блока про-
граммы — сопровождается текстуальным описанием и
графическим отображением процесса решения. При тек-
стуальном описании используются общепринятые мате-
матические символы, выражения и словесный текст, поз-
воляющий описать с любой степенью детализации не
306
только алгоритм, но и отдельные его участки. Програм-
мирование вручную выполняется обычно в символичес-
кой форме, с использованием букв и различных симво-
лов, без указания конкретных номеров ячеек памяти;
кроме того, команды обозначаются не числовыми кода-
ми, а условными — буквенно-числовыми. На последней
стадии программирования условные обозначения заме-
няют соответствующими числами.
Составление упрощенного варианта программы рас-
смотрим на примере нахождения корней квадратного
уравнения ах2-\-Ьх-}-с=0. Один из способов решения
основывается на применении формулы
— b ± Ь2 — 4ас
X, , -------------------.
112	2а
Текстуальное описание процесса вычисления состоит
в следующем: 1) по значениям а, Ь, с вычислить подко-
ренное выражение D=b2—4ас, 2) проверить неравен-
ство 7)^0; при D^O вычислить^ 2 = (— b ± yD}!2a\
3) при £><0 найти комплексные значения xi;2==A±iB,
где А ——Ь/2а; В = У~О/2а.
Графическая форма записи обеспечивает представле-
ние алгоритма решения в
стоящей из геометричес-
ких фигур-блоков (рис.
10.13): овалов, прямо-
угольников,1 ромбов и дру-
гих, соединенных связя-
ми— стрелками. Каждый
из блоков определяет
этап решения задачи,
имеет свой порядковый
номер. Овал означает
начало программы, парал-
лелограм — ввод инфор-
мации в память машины,
прямоугольник—операции
возведения в степень, ум-
ножения и т. д. Этап
Рис. 10 13. Структурная (блоч-
ная) схема программирования
процесса решения задачи.
виде структурной схемы, со-
20*
307
разветвления программы с целью проверки отличи-
тельных признаков корней обозначается ромбом; после
проверки решение продолжается по одной из ветвей.
Внутри блоков записывается краткое содержание от-
дельных этапов вычисления или формула. Структурная
схема является укрупненным планом вычислительного
процесса. Для сложных программ составляют обобщен-
ную схему и ряд детализированных схем.
Фрагмент программы вычисления корней квадратно-
го уравнения на языке АЛГОЛ будет иметь вид:
begin real a, b, с, xl, х2, D;
ввод (а, Ъ, с)\
D-.=b\2— 4-а-с\
if £>< 0 then begin печать D; gotoAflend;
else if Z? = 0 thenxl: = x2: = b/(2-a}
go to М2 end else
beginxl: — (b + sqrt (£>))/(2 - a);
x2: = (b — sqrt (£>))/(2 • a) end;
тИ2: печать(x 1, x2); Ml: end.
В записи программы слова и символы имеют смысл:
begin и end называются операторными скобками, () —
обычными скобками; := — знак присваивания (по оп-
ределению есть) совместно с символами, стоящими сле-
ва и справа от него, образуют оператор присваивания;
if — условный оператор, применяется в случаях провер-
ки текущих значений подкоренного выражения. Часть
записи после знака else называется составным операто-
ром. Вертикальная стрелка в языке АЛГОЛ означает
возведение в степень; корень второй степени записыва-
ют сокращенно sqrt. Выражение go to совместно с Ml
обозначает так называемую метку — оператор развет-
вления, т. е. продолжение процесса вычислений после
разветвления.
Программа наносится на перфокарты (требуется 5—
8 шт.), затем на считывающем устройстве информация
переносится в ОЗУ. Решение производится автомати-
чески, в результате последовательного выполнения опе-
раторов ввода, присваивания, условного и оператора вы-
зов
вода. Программа-транслятор (заложенная в памяти
ЭВМ) выделяет ячейки памяти для исходных данных —
коэффициентов а, Ь, с, переменных Xi, х2 и трех очеред-
ных чисел. Вслед за оператором ввода поочередно вы-
полняются три оператора присваивания, т.е. замена ко-
эффициентов числами. Производятся арифметические и
логические операции — возведение в степень, умноже-
ние, вычитание и др., которые приводят к определению
корней. Устройство управления (УУ) выдает машине
команды производить вывод результатов после каждого
цикла вычислений.
Контрольные вопросы
1.	Какие виды ЭВМ применяются в народном хозяйстве и в на-
учных исследованиях?
2.	Расскажите об управляющих ЭВМ; нарисуйте структурную
схему технологического оборудования с применением ЭВМ.
3.	Объясните устройство цифровой ЭВМ и взаимодействие ее
частей.
4.	Что называется счислением? Какие системы счисления исполь-
зуются в ЭВМ? Объясните порядок пользования формулой перехода
от одной системы счисления к другой. Запишите свой возраст и год
рождения числами в двоичной и двоично-десятичной формах.
5.	Приведите примеры арифметических действий над двоичными
числами: сложения, вычитания, умножения, деления.
6.	Как осуществляется технически переход от двоичных к де-
сятичным числам?
7.	Расскажите об особенностях представления чисел в цифровой
ЭВМ с фиксированной запятой и с плавающей запятой.
8.	Зачем кодируют информацию? Какие коды вам известны?
9.	Объясните принцип работы устройств ввода и вывода инфор-
мации.
10.	Как наносится информация па перфокарты и перфоленты?
11.	Опишите устройства памяти ЭВМ; поясните принцип маг-
нитной памяти ферритовых колец и матриц из них.
12.	Расскажите об ОЗУ, ПЗУ, СОЗУ; как устроены их элемен-
ты?
13.	Объясните принцип действия НМЛ, НМД и НМБ.
14.	Как устроены процессоры и их основные узлы? Приведите
пример суммирования чисел в сумматоре.
15.	Какие функции выполняют УУ ЭВМ? Поясните примером.
16.	Что такое программирование для ЭВМ? Объясните терми-
ны: алгоритм, алгоритмические языки, машинный язык. Какие алго-
ритмические языки вы знаете?
17.	Приведите пример программирования на одном из алгорит-
мических языков, например на АЛГОЛе.
309
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В АВТОМАТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
11Л. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Автоматические системы создаются и действуют на
основе теории автоматического управления. Автоматиче-
ской системой называется комплекс устройств и меха-
низмов, функционально объединенных для выполнения
какого-либо конкретного вида работы без непосред-
ственного участия человека. К таким видам работы
относятся изготовление промышленной продукции (об-
работка деталей, контроль качества, автоматическое
поддержание на заданном уровне технологических пара-
метров и т. д.), управление движущимися объектами
(кораблями, самолетами), автоматизированный учет,
автоматизация различных услуг населению и т. д. Авто-
матические системы способны управлять различными
удаленными объектами по заданной программе или при-
спосабливаться к реальной обстановке, т. е. самонастраи-
ваться в зависимости от условий окружающей среды.
Они позволяют повысить производительность человече-
ской деятельности не только в сфере материального
производства, но и в других разнообразных непроизвод-
ственных отраслях. Поэтому в решениях ЦК КПСС и
Советского правительства уделяется большое внимание
вопросам создания и непрерывного совершенствования
автоматических систем.
Любая автоматическая система состоит из объекта
регулирования (управления) О и регулятора Р (рис.
11.1). Объектом регулирования является совокупность
машин, аппаратов, устройств, которые подвергаются
управляющим и возмущающим воздействиям. Регулятор
состоит из взаимодействующих устройств, вырабатыва-
ющих целенаправленные управляющие воздействия X(t)
в соответствии с алгоритмом — заданным законом уп-
равления. Значения преобразованных в объекте величин
называются выходными координатами Y(t).
В зависимости от вида используемой энергии авто-
матические системы подразделяют на электрические,-
гидравлические, пневматические и механические. Чаще,
однако, встречаются смешанные системы: электрогид-
310
равлические, электролневматиЧеские и т. д. Воздействия-
ми называются сигналы в виде электрических напря-
жения или тока, давления жидкости или таза в магист-
ралях либо механические силы; воздействия могут быть
гармоническими, ступенчатой и других форм. К воздей-
ствиям относятся также виды влияния внешней среды:
теплота, радиация, вихревые потоки и др., которые на-
зываются возмущающими воздействиями [обозначенные
z(t) xftj
Рис. 11.1. Обобщенная структур-
ная схема автоматической систе-
мы.
стрелками z(i) ] в отличие от управляющих воздействий
*(0«
Автоматические системы подразделяются по структуре, по наз-
начению, по типу алгоритма и другим признакам. Выделим три важ-
нейших класса систем: автоматические системы регулирования
(АСР), автоматизированные системы управления (АСУ) и телемеха-
нические системы: управления (ТУ), контроля (ТК) и связи (ТС).
Автоматические системы регулирования (АСР) раз-
личаются по принципам управления на разомкнутые и
замкнутые. В разомкнутых, АСР объект регулирования
отрабатывает управляющие воздействия регулятора без
текущего сравнения выходных координат с входными.
Возможные отклонения выходных координат от ожида-
емых при этом в системе не учитываются. В замкнутых
АСР имеется одна или несколько цепей обратной связи,
обеспечивающих систематическое сравнение выходной и
входных координат, и возможные ошибки регулирова-
ния е(0 от возмущающих воздействий система устраня-
ет. Системы, обладающие систематическими ошибками
регулирования, называются статическими, а системы, в
которых такие ошибки сводятся к нулю, — астатически-
ми. АСР подразделяют на системы прямого и непрямого
действия. В первых из них объект регулирования обла-
дает малыми энергетическими показателями, и не тре-
буется усиливать воздействия регулятора; в системах
непрямого регулирования сигналы маломощных элемен-
тов необходимо усиливать, чтобы управлять объектом
значительной мощности.
311
Большое разнообразие типов АСР базируется иа нескольких
общих' принципах регулирования: по отклонению, по возмущению,
комбинированный и адаптации. Принцип регулирования по отклоне-
нию присущ замкнутым АСР — системам с обратными связями.
Управляющее воздействие на объект регулирования X(t) формиру-
ется на основе информации об отклонении управляемой (выходной)
координаты Y(t) от требуемого значения g(t) : е(0 = g(t)— У(0.
Информация об отклонении возникает при сравнении иа элементах
схемы, называемых сумматорами.
Принцип регулирования по возмущению используется в разомк-
нутых АСР. Он заключается в том, что регулятор вырабатывает тре-
буемые управляющие воздействия, в которых также содержится и
компенсация влияния возмущающих воздействий. Комбинированное
регулирование сочетает в себе и регулирование по отклонению н
регулирование по возмущению и по сравнению с каждым из них
имеет значительные преимущества по многим параметрам. Принцип
адаптации (приспособления) используется в самонастраивающихся
АСР; системы этого класса автоматически выбирают оптимальный
закон регулирования или самостоятельно перестраивают собствен-
ную структуру.
Замкнутые АСР разделяют на стабилизирующие,
программного регулирования и следящие. Стабилизиру-
ющие системы предназначаются для поддержания ос-
новных параметров регулирования неизменными в тече-
ние длительного времени при наличии возмущающих
воздействий. В системах программного регулирования
заданные координаты изменяются во времени в соответ-
ствии с алгоритмом управления. В следящих системах
выходная координата пропорциональна производной
входной.
В теоретическом и практическом смысле АСР под-
разделяют на непрерывные (аналоговые) и дискретные.
В первых из них действуют непрерывные во времени
сигналы, тогда как в дискретных системах информация
представлена квантованной по времени или по уровню.
И, наконец, в зависимости от принятого математическо-
го аппарата, описывающего режимы работы, АСР де-
лятся на линейные и нелинейные, стационарные и неста-
ционарные системы. Линейные описываются системами
линейных дифференциальных или алгебраических урав-
нений; для описания нелинейных систем уравнения со-
держат члены, отражающие конкретные формы нели-
нейностей. В стационарных АСР параметры в течение
времени регулирования остаются неизменными; в неста-
ционарных АСР коэффициенты претерпевают сущест-
венные изменения.
Требования к АСР сводятся к тому, чтобы в каждом кон-
кретном случае система обеспечивала работу объекта с ошибкой-ре*
312
гуЯйрования в допустимых практических пределах; при этом отдель-
ные части и система в целом должны быть максимально простыми,
надежными и экономичными.
11.2. СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Системы стабилизации, программного регулирования
и следящие одинаково часто встречаются в практике.
Автоматическую систему изображают в виде функцио-
нальной и структурной схем. Функциональная схема со-
Рис. 11.2. Устройство автоматической системы стабилизации для ре-
гулирования температуры в закалочной печи (а) и графики, поясня-
ющие ее работу в различных режимах (б).
ставляется из условных знацрв конструктивных элемен-
тов, объединенных линиями двязи (механической, элект-
рической и др.— в зависимости от физической природы
носителей энергии).
Конструктивными элементами являются чувствитель-
ные элементы (датчики)—преобразователи первичной
информации, усилители, сравнивающие и суммирующие
устройства, корректирующие элементы, исполнительные
механизмы (двигатели) и другие, разнообразные уст-
ройства.
Автоматическая система стабилизации для регулиро-
вания температуры в закалочной печи, предназначенной
для нагрева стальных заготовок, приведена на рис. 11.2.
Объектом регулирования является печь 1, внутри кото-
рой должна поддерживаться в заданных пределах тем-
пература. Регулятор состоит из термопреобразователя
Rt, измерительного резисторного моста 2, сумматора,
усилителя 3, исполнительного механизма и тахогенера-
тора. z
313
Преобразователями температуры в электрические
сигналы могут быть терморезисторы (проволочные или
полупроводниковые) и термопары. Терморезисторы от-
носятся к пассивным преобразователям с изменяемым
параметром — сопротивлением; термопары принадлежат
к генераторным преобразователям; при нагреве они ге-
нерируют термо-ЭДС.
Резисторный мост содержит прецизионные резисторы,
один из которых — переменный (регулируемый); мост
предназначен для сравнения и выделения управляюще-
го сигнала — воздействия — в измерительной цепи уст-
ройства; для этого подвижный контакт /?3 скреплен с
ручкой, которую можно перемещать относительно шка-
лы установки требуемой температуры нагрева (на ри-
сунке не показаны).
Сумматор является элементом, в котором суммиру-
ются сигналы, поступающие из различных участков це-
пи стабилизации (в данном случае из измерительной це-
пи по Рз и из цепи обратной связи по 7?6). Кроме резис-
торных могут быть сумматоры на основе многосеточных
электронных ламп, магнитных и других элементов.
Усилитель необходим для усиления входных сигна-
лов малой мощности'. Тип усилителя, его схема, мощ-
ность и другие показатели определяются требованиями
к качеству системы регулирования и находятся в соот-
ветствии с характеристиками сопряженных элементов.
Исполнительный механизм (ИМ) преобразует сигнал
рассогласования между текущим и требуемым значени-
ями входной координаты (входного воздействия) в элек-
трический ток нагревательного элемента. ИМ состоит из
электродвигателя 4, понижающего редуктора 6, авто-
трансформатора 7 и нагревательного элемента 8.
Тахогенератором 5 является электрическая машина
(постоянного или переменного тока), выходной электри-
ческий сигнал (напряжение) которой пропорционален
частоте вращения якоря. Тахогенератор относится к кор-
ректирующим элементам, его сигнал вводится в контур
регулирования для повышения качества регулирования.
Вместо тахогенератора успешно применяются 7?С-эле-
менты. Все элементы автоматики объединены в блоки,
связанные между собой кабельными соединениями, и
присоединены к источнику энергии.
Принцип работы автоматической системы ста-
билизации. Печь со стальными заготовками закрывают, на шкале
314
температур ручкой резистора /?з устанавливают требуемую темпера-
туру нагрева и подключают систему к электрической сети. Тахоге-
нератор отключен — обрыв в точке А. В первый момент температура
в печи низкая, терморезистор (проволочный) имеет малое сопро-
тивление, мост разбалансирован и иа вход усилителя поступает зна-
чительный сигнал рассогласования. Двигатель развивает максималь-
ную частоту вращения и через редуктор быстро устанавливает
скользящий контакт автотрансформатора в положение максимально-
го выходного напряжения. Большой ток в нагревателе вызывает
ускоренное выделение теплоты в пространстве печи, отчего также
нагревается и терморезистор, сопротивление которого возрастает.
Резисторный мост уравновешивается: входной сигнал ивх (входная
координата х) становится равным нулю. Двигатель останавливается,
а нагрев продолжается до момента, пока мост не выйдет из равно-
весного состояния, что произойдет при повышении температуры вы-
ше заданной и увеличении сопротивления Rt. Это состояние процес-
са соответствует точке Б иа графике 1 (рис. 11.2,6). Температура
в печи оказалась несколько выше требуемой (ууе) вследствие
инерционности элементов регулятора и объекта регулирования. В за-
висимости от физической природы элементов инерционность обуслов-
лена моментом инерции массы, электрической емкостью и индуктив-
ностью. Инерционность непосредственно влияет на время переходно-
го процесса — время реакции системы иа скачкообразное входное
воздействие. Превышение температуры над заданным уровнем (точ-
на Б) называется перерегулированием. Процесс иагрева сопровожда-
ется также сдвигом по фазе выходной координаты относительно
входной, т. е. оптимальная температура устанавливается в печн не
мгновенно, а в течение некоторого времеии, постепенно приближаясь
к оптимальному значению, — приблизительно через время tt.
Системы регулирования с правильно подобранными элементами
работают устойчиво, что отображается графиком 2; при неправиль-
ном подборе элементов увеличивается размах колебаний, система
становится неустойчивой, процесс регулирования — расходящимся
(пунктирная кривая /'). Желательно, чтобы оптимальное значение
координаты было достигнуто быстрее и затем поддерживалось на
заданном уровне. Для обеспечения начального ускорения (форсиро-
вания) н последующего плавного торможения (демпфирования) в
систему вводят корректирующие элементы; в данной системе таким
элементом является тахогенератор. Сигналы тахогенератора пропор-
циональны скорости изменения выходной координаты, т. е. ее пер-
вой производной по времеии. Тахогенератор образует цепь обратной
связи. Если полярность (фаза) сигнала обратной связи (ОС) совпа-
дает с полярностью (фазой) входного сигнала (положительная ОС),
то будет наблюдаться форсирование процессов регулирования — ус-
коренный нагрев с переходом системы в неустойчивое состояние.
Если полярность (фаза) сигнала ОС противоположна полярности
(фазе) входного сигнала (отрицательная ОС), то суммарное воздей-
ствие регулятора будет демпфировать систему и обеспечивать режим
устойчивой работы.
Примером автоматической системы программирован-
ного регулирования может служить система, управляю-
щая температурой в печи по заданной программе. Упро-
щенный вариант такой АСР с электронными элементами
315
представлен на рис. 11.3, а. Печь для нагрева полупро-
водниковых заготовок выполнена в виде керамической
трубы, с внешней стороны которой установлен электри-
ческий проволочный нагреватель /; температура нагре-
ва измеряется термопарой 2. Термо-ЭДС поступает в
блок усилителя постоянного тока 3, на входе которого
имеются суммирующее и сравнивающее устройства; в
Рис. 11.3. Структурная схема автоматической системы программного
регулирования температуры в печи (а) и режимы ее работы (б).
усилителе содержится также регулятор уровня темпера-
туры нагрева Тн, шкала и ручка управления которого
установлены на лицевой панели. Усиленный сигнал про-
ходит в блок выработки алгоритма управления 4. Блок
содержит резисторно-емкостные корректирующие цепи и
усилительные элементы, которые обеспечивают необхо-
димое опережение или запаздывание управляющего сиг-
нала с последующим его усилением. Подобно тахогене-
ратору он вводит в закон регулирования сигналы, про-
порциональные первой или второй производной или ин-
тегралу, благодаря которым повышаются устойчивость,
качество и другие показатели системы регулирования.
Для этой цели служит и цепь жесткой обратной связи,
охватывающая четвертый и третий блоки. В блоке 5 уп-
равляющий сигнал непрерывной формы преобразуется в
сигналы импульсной формы, частота которых синхрони-
зирована с частотой напряжения электросети. Импуль-
сные сигналы воздействуют на управляющие электроды
симисторов 6 или 7 и регулируют фазовый угол их про-’
водимости.
Температура в печи автоматически изменяется по определенной
программе в соответствии с кривой 1 (рис. 11.3, б). Сначала заго-
316
товки предварительно прогреваются (до момента 6)> затем нагрев
форсируется (ускоряется) на временном интервале от до h; с мо-
мента t2 до t3 в печи поддерживается рабочая температура ГР. Тех-
нологический процесс заканчивается постепенным охлаждением в
течение времени от G до tt. Этот процесс регулируется электронным
реле времени РВ, которое имеет органы настройки времени. Через
заданное время оно переключает контакты реле К — включает один
и отключает другой симисторы и тем самым управляет мощностью
трансформатора Тр. На рис. 11.3,6 (кривая 2) показан процесс ре-
гулирования температуры при неисправных элементах коррекции
в регуляторе.
Рис. 11.4. Структурная схема автоматической системы регулирова-
ния.
Структурная схема АСР (рис. 11.4) отличается от
функциональной схемы теоретической направленно-
стью, и ее удобно использовать при анализе процессов
регулирования. Многообразие конструктивных элемен-
тов АСР оказалось возможным заменить ограниченным
количеством типовых динамических звеньев, соответст-
вующих идеализированным конструктивным элементам.
Упорядоченные совокупности динамических звеньев —
структурные схемы — являются неотъемлемой частью
математического аппарата для исследования АСР.
Математический аппарат теории АСР опирается на
дифференциальные уравнения, которые составляются из
уравнений отдельных элементарных динамических звень-
ев. Системы дифференциальных уравнений полностью
характеризуют как статические, так и динамические
свойства АСР. Дифференциальные уравнения можно лег-
ко и быстро решать на ЭВМ. Дифференциальное урав-
нение n-го порядка можно записать в виде
а0 + «1	+ ••• + an-i У' + ап У =
=^boxm+Ь1Х(т~1} + ...+bmx, (11.1)
где со, аь •••> ап — постоянные коэффициенты при произ-
водных i-ro порядка выходной координаты; Ьо, Ьь ...,Ьт —
коэффициенты при производных &-го порядка входной
317
координаты; в реально осуществимых АСР обязатель-
ным условием является неравенство п>т. Левая часть
уравнения (11.1) описывает собственное движение (пе-
реходный процесс) системы, правая часть — внешние
воздействия.
> Анализ поведения систем на основе дифференциаль-
ных уравнений часто затрудняется недостатком данных
о пределах изменения отдельных параметров и другими
факторами. Задача анализа АСР сводится к оценке
влияния отдельных звеньев на работу системы. Крите-
риями работы являются устойчивость, запас устойчиво-
сти, качество регулирования и др. Приближенную оцен-
ку, удовлетворяющую практическим запросам, можно
выполнить по косвенным признакам, используя различ-
ные методы преобразования дифференциальных уравне-
ний. Одним из таких методов является операторный.
Символ дифференцирования переменной по времени
d/dt заменяется алгебраическим оператором р, и диффе-
ренциальное уравнение сводится к алгебраическому, ре-
шение которого достигается простыми алгебраическими
операциями. Дифференциальное уравнение (11.1) в опе-
раторной форме имеет вид:
(аорп +а1рп~1 + ... +anp}Y(p) =
= (bQpm + b1Pm~' + ... + bmp)X(p). (11.2)
Такое преобразование называется переходом от ис-
ходных функций — оригиналов к их изображениям (в
операторной форме). Многочлен 2акрк в левой части
уравнения (11.2), приравненный нулю, называется ха-
рактеристическим уравнением. После решения характе-
ристического уравнения (11.2) — нахождения его кор-
ней — производится обратный переход к временным
функциям. Оба вида преобразований осуществляются,
например, по методу Лапласа — Карсона, который здесь
не приводится. При анализе свойств АСР и отдельных
звеньев часто применяется передаточная функция, кото-
рой называется отношение изображения функции вы-
ходной координаты У (р) к входной Х(р) при нулевых
независимых начальных условиях [iL(0) и ыс(0)]:
318
Передаточную функцию, как правило, записывают
внутри прямоугольника, которым изображается типовое
динамическое звено; направление воздействий между
ними указывается стрелками. Важнейшими элементар-
ными динамическими звеньями являются пропорцио-
нальное, апериодическое, колебательное, дифференциру-
ющее и интегрирующее; звенья называются динамиче-
скими, поскольку они опи-
сываются дифференциаль-
ными уравнениями движе-
ния (не выше второго по-
рядка). Звенья соединяются
последовательно, парал-
лельно и смешаиио, что учи-
тывается при составлении
уравнений и их преобразова-
ниях. Порядок уравнения
системы определяется сум-
марным порядком уравне-
ний звеньев; их схемы с
электрическими элемента-
ми (/?, С, L) и графики пе-
Рис. 11.5. Схемы важнейших эле-
ментарных звеньев АСР с электри-
ческими элементами н графики их
работы в переходном режиме.
реходных режимов работы показаны на рис. 11.5.
Пропорциональное (усилительное, безынерционное) звено опи-
сывается уравнением Y(i)=KX(t), где К. — передаточный коэффици-
ент, зависящий от конструкции элемента.
Уравнение отражает факт мгновенной передачи входного сиг-
нала Хс усилением (К>0) или с ослаблением (К<0). Передаточная
функция W(p)—K. Примерами могут служить электронный усили-
тель, резисторный потенциометр (рнс. 11.5, а) или делитель напря-
жения и т. д.
Апериодическое (инерционное) звено первого порядка
(рис. 11.5, б) имеет дифференциальное уравнение Tdy/dt+y = Kx,
где Т — постоянная времени, служащая мерой инерции. Решением
уравнения является, как известно, экспонента j/=Kx(l—
Уравнение в операторной форме имеет вид: TpY(p) + У(р) =КХ(р)
или (Тр+ 1) Y(p) =КХ(р). При нулевых независимых начальных ус-
ловиях передаточная функция W(p) = Y(p)/X(p)=K/(Tp+l). Часто
встречаются апериодические звенья второго порядка. Примерами апе-
319
риодических звеньев являются инерционные преобразователи сигна-
лов — терморезнсторы, термопары, электродвигатели, цепи с /?С-эле-
ментами
Колебательное звено описывается дифференциальным уравнени-
ем второго порядка (очень похожим на уравнение апериодического
звена) и уравнением в операторной форме соответственно
9 d2 у	dy
(ф2 + 2£Т1Р + 1)Е(р) = КХ(р),
где Г2 и Ti—постоянные времени; g — коэффициент демпфирования
(затухания) колебаний. Передаточная функция имеет вид: W(p) =
= К/(7’| р2+Г1Р+1), Решением уравнения является синосундаль-
ная функция с затухающей или возрастающей амплитудой. Приме-
рами колебательного звена являются электрическая цепь с конден-
сатором и индуктивной катушкой (рис. 11.5, в), электрические дви-
гатели с подвижной массой и индуктивностью, механические элементы
с упругостью и вязкостью и т. д.
Дифференцирующим называется звено, в котором сигнал иа вы-
ходе пропорционален производной от входного воздействия; диф-
ференциальное уравнение, уравнение в операторной форме и переда-
dx
точная функция имеют вид:р=К~^- ; У(р)=рКХ(р); W(p)=Kp.
Примерами дифференцирующего звена, кроме тахометра, могут
служить 1? С-цепь (рнс. 115, г), гидравлический нли пневматический
успокоитель колебаний.
Интегрирующее звено имеет на выходе сигнал, пропорциональ-
ный интегралу по времени от входного сигнала у (<) = К JxdT.
Уравнение в операторной форме рУ(р)=КХ(р) и передаточная функ-
ция №(р)=К/р. Примерами интегрирующего звена являются элект-
рический двигатель, у которого входным сигналом является прило-
женное напряжение U, а выходом — угол поворота вала а, т. е.
t
а = К [ Ud%.
О
Напряжение при зарядке конденсатора (рнс. 115, д) так-
же изменяется по интегральному закону
t
Uc == J idx.
о
11.3. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ АСР
Работа каждой АСР оценивается различными пока-
зателями, важнейшими из которых являются устойчи-
вость и качество регулирования.
320
Под устойчивостью АСР понимают способность си-
стемы приходить к установившемуся состоянию равно-
весия, из которого она была выведена внешним воздей-
ствием. Практически пригодной считается только устой-
чивая система. Судить об устойчивости системы можно
по ее поведению в переходном процессе, т. е. по ее соб-
ственному и вынужденному движению под воздействием
Рис. 11 6 Графики, поясняю-
щие режимы работы апериоди-
"ческой и колебательной, устой-
чивой и неустойчивой АСР.
Рис. 11.7. Оценка устойчивости
АСР по расположеиию корней
характеристического уравиеиия
и по годографу Михайлова.
возмущений. Собственное движение возбуждается сиг-
налом ступенчатой формы, оно описывается дифферен-
циальным уравнением (11.1) при условии, что правая
часть равна нулю. Вынужденное движение совершается
под воздействием длительно действующего возмущения,
которое учитывается правой частью дифференциального
уравнения. В устойчивой системе собственное движение
затухает, что показано на рис. 11.6 графиками 1 и 3
(для апериодической и колебательной систем соответст-
венно); в неустойчивой системе переходный процесс рас-
ходится, что отражено графиками 2 и4.
Определить, устойчива или неустойчива система,
можно аналитически, по решению системы дифференци-
альных уравнений и ее звеньев, либо эксперименталь-
ным путем. Решениями дифференциальных уравнений
системы будут элементарные функции времени у\—уп
(графики) отдельных ее звеньев
У (0 = ci ePlt; уг (0 = с2 ... , уп (0 = сп е*п* ,
где pi — корни уравнения; ct — постоянные, определяе-
мые из начальных условий.
21- 107
321
Устойчивость системы, особенно невысокого порядка, может
быть легко определена косвенными методами, называемыми крите-
риями устойчивости. Для этого необходимо знать числовые значения
коэффициентов и корней характеристического уравнения; при этом
корин могут быть действительными н комплексными. Критерии под-
разделяются иа алгебраические и частотные.
К алгебраическим критериям относитси одна из теорем А. М. Ля-
пунова: система будет устойчивой, если все вещественные части
комплексных корней (или действительные корни) будут отрицатель-
ными и на комплексной плоскости располагаться слева от мнимой
оси — корни р1,...,рге иа рнс. 11.7. По другому из алгебраических кри-
териев система будет устойчивой, если все коэффициенты характери-
стического уравнения и определитель нз них имеют положительное
зиачеине, например для системы третьего порядка: а0>0, ai>0; а^>
>0; а3>0; A2=aifi2—Довз>О.
Частотный критерий устойчивости А. М. Михайлова осиоваи иа
связи между характером переходного процесса и фазой вынужден-
ных колебаний, устанавливающихся в системе под воздействием си-
нусоидального воздействия. Для этого в характеристическом урав-
нении полагают p=jw, после чего оно представляется состоящим нз
вещественной и мнимой частей: A(/co)=P(«>)-|-/Q(w), где А(/<й)—
вектор, соответствующей характеристическому уравнению системы,
а Р(<й) и /Q(w) —вещественная и мнимая части вектора А соответ-
ственно. Задавая угловой частоте <о значения от 0 до + <», находят
кривую, описываемую вектором A(ico), называемую годографом Ми-
хайлова. Система будет устойчивой, если годограф Михайлова прн
изменении частоты w от 0 до +°о проходит из точки иа положитель-
ной вещественной осн против часовой стрелки через п квадрантов,
т. е. поворачивается на угол пл/2, не обращаясь в нуль (п — поря-
док уравнения). На рнс. 11.7 показаны годографы Михайлова для
устойчивых систем первого — четвертого порядков.
Критерии позволяют определить не только устойчивость систе-
мы, но н запас устойчивости по фазе и амплитуде, а также оценить
возможность введения корректирующих звеньев.
Качество регулирования. Автоматическая система
не только должна быть устойчивой, но и обладать высо-
кими показателями качества регулирования. К показа-
телям качества регулирования относятся статическая
ошибка, перерегулирование, время регулирования и
частота собственных колебаний. Статическая или уста-
новившаяся ошибка 6ст характеризует точность регули-
рования в установившемся состоянии, она равна разно-
сти заданного Уо и установившегося Ууст значений регу-
лируемой величины: 6Ст = Уо—Ууст (рис. 11.8). Перере-
гулированием о называется отношение максимального
отклонения выходной координаты АУ к установившемуся
значению Уусу: о= (АУ/Ууст) 100%. В хороших АСР оно
не превышает 10%. Время регулирования /р— продол-
жительность переходного процесса, определяется ин-
тервалом времени между моментом приложения внеш-
322
него воздействия и окончанием переходного процесса;
этот показатель характеризует быстродействие АСР.
Частота свободных колебаний ®0=2л/7' (Т — период
колебаний) учитывается при определении диапазона
частот, на которых наблюдается резонансный режим.
Определение показателей качества АСР производит-
ся по результатам решения дифференциальных уравне-
Рнс. 11 8. Показатели качества ре-
гулирования.
йий, либо экспериментально на конкретной АСР, либо
по косвенным методам оценки качества, к которым от-
носятся метод распределения корней характеристическо-
го уравнения в плоскости комплексного переменного,
частотный и интегральный методы. Решение дифферен-
циальных уравнений высокого порядка (выше четверто-
го) сопряжено с определенными трудностями. Экспери-
мент, выполненный на конкретной системе, обеспечивает
наиболее достоверные показатели качества; однако и
этот метод имеет много ограничений. Метод определения
качества АСР по распределению корней характеристи-
ческого уравнения устойчивой системы, расположенных
слева от мнимой'оси комплексной плоскости, состоит в
измерении расстояния I между осью и ближайшим к ней
корнем и угла между наиболее удаленными корнями (см.
рис. 11.7). С увеличением расстояния растет запас устой-
чивости системы; чем меньше угол между корнями, тем
слабее склонность системы к колебаниям.
Метод улучшения качества регулирования заключа-
ется во введении в структуру АСР корректирующих
звеньев, действие которых аналогично введению в алго-
ритм регулирования производных и интегралов от уп-
равляемых координат. При этом звенья могут быть сое-
динены последовательно, параллельно или смешанно от-
носительно других звеньев; они часто используются при
формировании цепей главной или местных обратных
связей.
21*
323
114. НЕЛИНЕЙНЫЕ АСР
Нелинейной автоматической системой регулирования
называется система, которая содержит хотя бы одно
звено с нелинейной характеристикой. Строго говоря, вся-
кая реальная АСР является нелинейной, а к линейным
относят те из них, характеристики элементов которых
приближенно считаются линейными. Некоторые виды не-
Рис 11 9. Некоторые виды характеристик нелинейных элементов.
а —линейная с зоной нечувствительности 2d, б —релейная, в — гистерезисная
линейных характеристик показаны на рис. 11.9 (с ней-
тральным положением среднего контакта). Широко рас-
пространены нелинейности типа зазоров (люфтов), су-
хого трения, насыщения; к нелинейным принадлежат
также импульсные и логические элементы.
Нелинейные АСР не имеют общего математического
метода их исследования, и точные уравнения движения
известны лишь для немногих из них. В основном нели-
нейные системы исследуются приближенными методами,
которые не дают полного представления о всех динами-
ческих свойствах системы, однако с их помощью можно
оценить устойчивость и некоторые типичные режимы ра-
боты. При составлении структурной схемы нелинейной
системы формируют группу линеаризованных звеньев,
образующих линейную часть (ЛЧ) и существенно нели-
нейный элемент (НЭ). Нелинейный элемент и линейная
часть, соединенные последовательно, образуют контур
регулирования. Линейная часть исследуется обычными
методами; затем применяются частные -методики и ис-
следуются свойства всей системы. В практике нелиней-
ные АСР встречаются очень часто и по сравнению с
линейными нелинейные АСР проще устроены, надежнее
и экономичнее в работе.
324
Схема простейшей автоматическойнелииейиой
системы регулирования, примененной в бытовых холодильниках,
показана на рис. 11 10. В морозильной камере 1 установлен чувстви-
тельный биметаллический преобразователь температуры релейного
типа 2, пластины которого последовательно включены между элект-
родвигателем 5 и проводом электросети. Второй провод от электро-
сети подведен к двигателю непосредственно. Стенки морозильной
камеры имеют расширяющиеся каналы 3, связанные подающим и от-
водящим трубопроводами с компрессором 4 и охлаждающим радиа-
тором 6.
Рис. И 10 Принципиальная схема холодильного агрегата.
Принцип работы. Подвижная часть биметаллического эле-
мента 2 состоит из двух скрепленных пластинок с различными тем-
пературными коэффициентами расширения. При комнатной темпера-
туре подвижный контакт этого элемента прижат к неподвижному, и
электрическая цепь замкнута. При включении напряжения электро-
двигатель 5 приводит в действие компрессор с циркулирующим по
замкнутому циклу хладагентом — жидкостью, кипящей прн низкой
температуре. Жидкость закипает при резком расширении в каналах
морозильной камеры, превращается в пар и при этом внутренняя
среда камеры охлаждается. На следующем участке замкнутого
контура пар сгущается, что сопровождается нагреванием. Проходя
через радиатор, установленный снаружи холодильника, хладагент
остывает и снова нагнетается в каналы морозильника. При пониже-
нии температуры в камере до заданной биметаллическая пластина
изгибается и контакты разъединяют электрическую цепь. Агрегат
автоматически включается снова прн нагреве камеры, а вместе с ней
и чувствительного элемента теплотой окружающей среды до темпе-
ратуры разъединения контактов. Регулирование уровня низкой
температуры производится изменением жесткости биметаллической
пластины (на рис. 11 10 не показано); можно было бы применить
измерительный мост или другое сравнивающее электронное устрой-
ство
113. АДАПТИВНЫЕ АСР
К адаптивным относятся АСР с неполной необходи-
мой начальной информацией об управляемом процессе,
в которых по количеству и уровню входных воздействий
325
меньше, чем в обыкновенных системах, и поэтому они
должны обладать свойством автоматически приспосаб-
ливаться к изменяющимся условиям работы, автомати-
чески выбирать оптимальный закон регулирования.
Адаптивные АСР подразделяются на три группы:
экстремальные, с самонастраивающимися корректирую-
щими устройствами и самооптимизирующиеся. Харак-
терной особенностью адаптивных АСР является нали-
чие в их структуре двух контуров регулирования — ос-
новного и адаптации. Основной контур состоит из регу-
лятора Р, объекта регулирования О и блока входных
воздействий ВВ (рис. 11.11), Контур адаптации ДА (об-
веден пунктирной линией) содержит блок поиска экстре-
мальных значений регулируемой координаты П, вычис-
лительное ВУ и корректирующее ДУ устройства; в ВУ
имеются блок сравнения входных воздействий и блок
анализа выходной координаты.
Рис. 11.11. Структурная схема адаптивной АСР.
Объектами регулирования могут быть подвижные средства, про-
изводственно-технологические установки, гидросооружения н другие
объекты, на которые кроме предусмотренных входных воздействий
g(t) могут оказывать влияние не поддающиеся учету непредвиденные
воздействия f(x). В ситуации с неполной начальной информацией
объект регулирования подвергается пробным движениям с целью
автоматического поиска экстремума; при этом показатели выходной
координаты изменяются. Анализатор запоминает их текущие значения
и находит среди них экстремальное (максимальное илн минималь-
ное— по заданному условию). На ВУ поступает информация о вход-
ных воздействиях, которая также анализируется. В результате вы-
рабатываются корректирующие сигналы, которые суммируются с
текущими входными сигналами, и объект регулирования поддержи-
вает оптимальный показатель качества выходной координаты (ско-
рости или направления движения, температуры, КПД и т. д.).
Самонастраивающиеся АСР обладают способностью
изменять параметры регулирования в зависимости от
326
внешних условий. Такие системы имеют измерители ве-
роятных возмущающих воздействий, анализирующие и
сравнивающие устройства. Система воспринимает теку-
щую информацию, анализирует и сравнивает ее с эта-
лонными значениями и производит переключение цепей
корректирующих устройств или отключает одни из них
и подключает другие; в результате изменяются парамет-
ры сигналов в контуре регулирования — их амплитудные
и фазовые значения.
В самооптимизирующихся АСР производится автома-
тическая перестройка структуры системы или алгоритма
ее работы. Для этого она снабжается дополнительными
блоками, которые по мере надобности подключаются к
контуру управления.
11.6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Автоматизированная система управления (АСУ)—
это комплекс технических средств, который при участии
оперативного персонала осуществляет технологические
или административно-организационные процессы. ДСУ
классифицируются по многим признакам; по назначению
их- подразделяют на автоматизированные системы уп-
равления технологическими процессами (АСУ ТП) и ав-
томатизированные системы управления предприятиями
(АСУП). АСУ ТП предназначены для производственных
целей — изготовления продукции, управления качеством
и количеством, оптимизации показателей работы и т. д.;
при этом АСУ ТП осуществляет управление либо по од-
ной координате, либо комплексно — по многим коорди-
натам одновременно. АСУ ТП состоит из объекта управ-
ления, органа управления и устройств, принимающих
решения. Объектами управления могут быть станоксчнс-
ловым программным управлением, доменная печь, про-
катный стан, металлургический завод и т. д. Органами
управления являются устройства, состоящие из преобра-
зователей, усилителей, формирователей управляющей
информации и др.; некоторые нз устройства рассредото-
чены в различных конструктивных или технологических
точках (узлах), другие устройства оформлены в виде
дискретных (обособленных) блоков. Устройствами, при-
нимающими решения, являются управляющие ЭВМ или
вычислительные блоки, сложность которых зависит от
327
конкретных требований к объекту управления и конеч-
ных результатов его функционирования — качества, эко-
номических показателей, устойчивости при воздействии
различных факторов.
Основными функциями АСУП являются планирование
производства, учет продукции, материальных н трудовых ресурсов,
контроль качества и количества как готовой продукции, так н про-
межуточных компонентов н многие другие административные и ор-
ганизационные виды деятельности. АСУП состоит нз информациоиио-
вычислительиого центра (ИВЦ) и подсистем, установленных в отде-
лах, цехах, иа складах и в других подразделениях предприятия.
ЙВЦ оснащены ЭВМ различной конструктивной сложности — в за-
висимости от типа предприятия и решаемых задач; в комплект ИВЦ
входят также устройства ввода и вывода, автоматические коммута-
торы-распределители, устройства отображения информации и т. д.
Подсистемы АСУП отличаются многообразием в за-
висимости от подразделений предприятия. Комплект ап-
паратуры одной подсистемы может существенно отли-
чаться от комплекта другой подсистемы конструкцией
элементов, воспринимающих первичную информацию,
формирователями сигналов, отдельными видами сиг-
нальных и индикаторных устройств, формами докумен-
тов и других носителей информации. Следует отметить
важное различие по использованию информации: если в
АСУ ТП информация поступает в ЭВМ и имеет произ-
водственное назначение, то в АСУП информация направ-
ляется административно-управленческому персоналу для
анализа и принятия решения.
Общим признаком классификации и АСУ ТП и АСУП является
их подразделение на уровни подчиненности — иерархию построения.
Нижним (первым)'иерархическим уровнем АСУ ТП является отдель-
ное рабочее место — станок, агрегат, установка; вторым является
линия из агрегатов, третьим — участок из линий и т. д. Как правило,
АСУ ТП имеет подчиненное положение по отношению к АСУП. Ниж-
ним уровнем АСУП является АСУП отдельного предприятия, далее
идут АСУП отрасли (министерства, ведомства) и общегосударствен-
ная система (ОГАСУ).
И.7. СТАНОК С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В АСУ ТП станки с числовым управлением (ЧПУ)
образуют нижний уровень иерархической структуры. По
сравнению с неавтоматическими станками станки с ЧПУ
обладают значительно большей производительностью,
экономичностью и универсальностью; станки с ЧПУ яв-
ляются новым этапом технического прогресса в обраба-
328
тывающей промышленности, их внедрение обусловлива-
ет рост технической культуры.
Станком с ЧПУ называется автоматическая система,
состоящая из объекта регулирования и устройства уп-
равления. Под объектом регулирования в данном слу-
чае понимается сверлильный, токарный, фрезерный или
другой станок для обработки резанием материала (ме-
талла, пластмасс и т. д.). Станок с ЧПУ внешне похож
на обычный; однако в его конструкции имеются узлы
(агрегаты), которых нет в обычном станке, а другие уз-
лы существенно отличаются по конструкции и принципу
действия. В станках с ЧПУ, например, установлены ав-
тономные (т. е. независимые) приводы по каждой из
координат движения — относительно осей х, у и z. При-
воды могут быть электрическими, гидравлическими,
пневматическими или комбинированными. Привод состо-
ит из исполнительного механизма (ИМ) —двигателя,
редуктора, гидравлических и других элементов, преоб-
разователей сигналов (датчиков), усилителя и т. д. Ос-
новная особенность привода станка с ЧПУ заключается
в его дискретном принципе действия; такой особен-
ностью, в частности, обладают шаговые электродвигате-
ли н преобразователи аналоговых значений (величин)
в импульсные. Шаговым электродвигателем называется
такой двигатель, в котором магцитопроводы статора и
ротора выполнены многополюсными; очень часто ротор
не имеет обмотки, его магнитопровод просто имеет z
зубцов-полюсов; ротор поворачивается на определенный
угол при действии импульса тока в обмотке статора;
обычно число зубцов ротора меньше числа полюсов ста-
тора. Угол поворота ротора обратно пропорционален
числу зубцов ротора a=2n/z. Полный оборот ротор со-
вершает через п импульсов тока, поданных в его статор-
ную обмотку: 2л =nz/k, где z — число зубцов ротора,
k — число полюсов статора. Шаговый двигатель в соче-
тании с гидравлическим механизмом и ходовым винтом
подач станка перемещает рабочий орган (инструмент
или деталь) на расстояние, обусловленное количеством
п элементарных шагов. Приводы с шаговыми двигате-
лями могут обеспечить точность перемещения рабочего
органа в 1 мкм и выше.
Важнейшей составной частью станка с ЧПУ в отли-
чие от обычного станка является наличие устройства
управления, часто называемое командоаппаратом. В за-
329
висимостн от типа и назначения станков устройства
управления различаются алгоритмами управления. Ши*-
роко распространены системы с позиционным принци-
пом перемещения детали, контурные и универсальные
системы. Позиционное ЧПУ свойственно сверлильным и
токарно-расточным станкам, на которых обрабатывают-
ся детали повторяющейся геометрии в различных ста-
бильных позициях, например деталь с несколькими от-
Рис. 11.12. Сверлильный станок с числовым программным управле-
нием.
верстиями. Станки с контурными ЧПУ обеспечивают
обработку фасонных поверхностей сложного профиля
(например, лопаток для турбин); к ним относятся фре-
зерные и токарные станки; обработка детали совмещена
по времени с ее перемещением. Станки с универсальны-
ми ЧПУ обладают свойствами и позиционных и кон-
турных. -
Упрощенная конструкция сверлильного стайка с
ЧПУ показана на рис. 11.12. Он состоит из сверлильного агрегата I
и командоаппарата 11. Станок обладает тремя степенями свободы:
стол с обрабатываемой деталью перемещается относительно коорди-
натных осей X и У, а шпиндель со сверлом — относительно оси Z.
Основанием агрегата является нлита 1 с вертикальной колонной 9.
На верхней поверхности плиты имеются направляющее — продольные
салазки с исполнительным механизмом 3, иа которых установлена
каретка со вторым исполнительным механизмом 2; рабочий стол 4
с обрабатываемой деталью 10 скреплен с подвижной кареткой. Один
из ИМ 3 обеспечивает перемещение стола вдоль оси X, другой 2 —
вдоль'оси У. Рабочий орган — шпиндель 6 с инструментом (сверлом)
330
смонтирован иа кронштейне 8, который может двигаться по верти-
кальному пазу колонны 9. Приводом шпинделя является автоном-
ный электродвигатель 7. На кронштейне 8 укреплен упор — «(жи-
вой контакт 5, взаимодействующий с двумя (или более) группами
замыкающих контактов (в реальных конструкциях оии изолированы
от корпуса н закрыты защитным колпаком); пара нз вих управляет
работой двигателя 7, другие участвуют в формировании команд
для ИМ.
Командоаппарат II состоит из программного блока Г, блока
управления и сннхроннзацнн 3', усилителей 4' и 5' — соответственно
по координатным осям X и У и блока питания 2'. В программном
блоке содержится лентопротяжный механизм ЛПМ с подающей н
принимающей катушками, приемник считываемой информации ПИ,
в частности состоящий нз фотодиодов, н осветитель-формирователь
светового потока О. В качестве программоносителя применяют пер-
фо-, кино-, фото-, магнитную ленту и т. д. В данном устройстве ис-
пользована кинолента. Блок управления и синхронизации состоит
из генератора синхронизирующих импульсов, счетчиков импульсов
по координатам, распределителя и отсчетных устройств для установ-
ки исходных данных. Шкалы, ручки, кнопки размещаются на перед-
ней панели пульта (иа рисунке не показаны). Электронные усили-
тели 4' и 5' выполнены по одинаковой схеме. Выходной каскад
уснливает-как положительные, так и отрицательные имиульсы и обеспе-
чивает реверсивное движение двигателей ИМ. Источник питания Т
вырабатывает энергию требуемых параметров, которая приводит в
действие все блоки командоаппарата и станка в целом.
Подготовка станка к работе заключается
в составлении программы и нанесении ее на программо-
носитель (предполагается, что и агрегат и командоаппа-
рат исправны и дополнительной настройки не требуют).
Программа составляется на основе рабочего чертежа
детали в виде таблицы чисел в строках и столбцах; чис-
ла соответствуют количеству импульсов, которые надо
подать на обмотки шаговых двигателей, чтобы последо-
вательно переместить стол 4 с деталью 10 на требуемые
технологические расстояния — позиции. Кроме количест-
ва импульсов при этом учитываются угловой шаг двига-
теля и передаточное отношение редуктора. Строки чисел
таблицы соответствуют перемещению стола относитель-
но координатных осей. В столбцах отмечаются группы
чисел для движения кареток в одну и другую сторону
и время их пребывания в заданных позициях. По таб-
личным данным изготовляется программоноситель, кото-
рым часто служит кинолента.
Табличная информация кодируется на ленте, т. е. пе-
реносится на ленту так, чтобы каждой координате дви-
жения соответствовала «своя» дорожка; в кодирующем
устройстве на ленте засвечиваются участки дорожек,
когда каретки неподвижны, незасвеченные дорожки
331
(после проявления — светлые) соответствуют движению
кареток: чем длиннее дорожка, тем на большее расстоя-
ние переместится деталь. Одна из дорожек служит для
координации перемещений кареток — синхронизации
срабатывания исполнительного механизма в заданные
моменты времени. На ленте нанесена также служебная
информация: «Пуск», «Стоп», метки отдельных техноло-
гических проходов и т. д.
Принцип работы. Стаиок с ЧПУ целесообразно применять
при серийном или массовом производстве. Стаиок настраивают на
изготовление каждого конкретного типа деталей. Настройка заклю-
чается, в выполнении подготовительных операций: установка кареток
в исходное положение (подачей импульсов вручную по каждой ко-
ординате); установка ленты в лентопротяжном тракте; закрепление
Пробной детали и инструмента; включение станка кнопкой «Пуск»
на лицевой панели командоаппарата; проверка качества обработки
первой детали; прн наличии дефектных проходов вносятся исправ-
ления на ленте и корректируется начальная установка подвижных
частей станка. После введенной коррекции станок включают иа ав-
томатическую работу: установленная на его столе деталь начинает
обрабатываться и по окончании обработки станок автоматически
останавливается; установка следующей детали производится вруч-
ную или при помощи дополнительного автоматического приспособле-
ния. Для обработки деталей другого типа требуется заменить ленту
с новой программой и настроить агрегат.
11.8.	РОБОТЫ (АВТОМАТИЧЕСКИЕ МАНИПУЛЯТОРЫ)
Робот — автоматическое устройство, которое подоб-
но человеку производит рабочими органами механиче-
скую работу по заданной программе. Роботы предназна-
чаются для выполнения многочисленных производствен-
ных операций, в особенности тяжелой однообразной и
монотонной работы, как, например, подача заготовок
к станкам и прессам, съем обработанных изделий и их
упаковка, складирование. Роботы незаменимы в усло-
виях агрессивной среды, а также при высоких уровнях
радиации и температуры. Одной из целей применения
роботов является повышение производительности труда
и качества продукции; применение роботов поднимает
интеллектуальный уровень труда.
Робот — сложная машина. Он состоит из двух основ-
ных частей — механического агрегата и программатора.
Механизм робота может быть выполнен по различным
кинематическим схемам. Рабочим органом робота счи-
тается рука с кистью — схватом, обладающая несколь-
кими степенями подвижности, т. е. способностью совер-
332
шать движение по вертикальной и горизонтальной осям
и повороты вокруг них; кроме того, обеспечивается не-
зависимое движение схвата. Эти функции реализуются
энергетическими устройствами, называемыми силовыми
приводами; распространены гидравлический, пневмати-
ческий, электрический и смешанные приводы. Большее
предпочтение отдается электрогидравлическим и пнев-
Рис. 11.13 Электропневматнческий неочувствленный робот с пятью
степенями подвижности.
матическим, так как они обладают меньшими массами
и габаритными размерами на единицу мощности по срав-
нению с электрическими приводами; их достоинством
считается также простота конструкции и схемы управле-
ния. Источником энергии является давление жидкости
в гидромагистрали или воздуха в пневмосистеме; в
электроприводе используется электроэнергия. Приводы
состоят из силовых и моментных устройств и элементов
управления ими. Поступательное движение реализуется
гидро (или пневмо) цилиндрами, а вращательное — гид-
ро- и пневмодвигателями; в электрическом приводе
источником и поступательного и вращательного движе-
ния являются электродвигатели.
Устройство робота и некоторых элементов показанр
на рис. 11.13,а. На основании 1 смонтирован гидроцй-
линдр вертикального движения 3. К штоку 4 гидроци-
линдра прикреплен корпус гидродвигателя 5, вал кото-
333
рого жестко связан с горизонтальным гидроцилиндром
6. Рабочим органом — рукой 7 является полый шток
гидроцилиндра 6. С передней стороны к нему присоеди-
нен гидродвигатель 8, выходной вал которого является
кистью руки со схватом 9. Гидроцилиндр 3 показан в
разрезе; в его полости помещен поршень со штоком.
При подаче жидкости (воздуха) под давлением в верх-
нюю или нижнюю часть полости поршень будет переме-
щаться вниз или вверх соответственно. Усилие на штоке
зависит от давления жидкости (воздуха) и площади
поршня. В гидро- и пневмодвигателях давление жидко-
сти (воздуха) преобразуется во вращательное движе-
ние. Внутренняя полость гидродвигателя (сечение АВ
на рис. 11.13, а) разделена продольной перегородкой, а
вал снабжен пластиной; жидкость, поданная в один
штуцер, поворачивает вал в одну сторону, при подаче во
второй штуцер — в обратную сторону.
Степени подвижности руки робота реализуются сле-
дующим образом: первая — движение по вертикальной
оси — перемещением поршня вверх — вниз; вторая — по-
вороты вокруг вертикальной оси — вращением выходно-
го вала гидродвигателя 5 вправо — влево; третья — по-
ступательное перемещение по горизонтальной оси — дви-
жением штока 7 — руки вперед — назад; четвертая —
повороты руки вокруг горизонтальной оси — вращением
выходного вала гидродвигателя 8. Движение схвата 9
может быть осуществлено различными способами. Дви-
жения могут происходить как последовательно по каж-
дой из степеней свободы, так и параллельно по сложной
пространственной траектории в ограниченном простран-
стве.
На корпусе — основании 1 многих типов роботов
устанавливают различные вспомогательные агрегаты:
электрогидро (или пневмо) насос 10, распределитель
жидкости (воздуха) 2 с трубопроводами к исполнитель-
ным механизмам, приборы контроля давления и расхо-
да, ресиверы и другие устройства (на рис. 11.13 не по-
казаны). В распределителе имеются клапаны, золотники
или заслонки, при перемещении которых жидкость (или
воздух) поступает в одну или другую часть силового
привода. Перемещение осуществляется, как правило,
якорем электромагнита, на обмотку которого поступают
электрические сигналы от устройства управления — про-
грамматора.
334
Второй составной частью робота является програм-
матор (рис. 11.13,6), выполненный в виде пульта или
шкафа с комплектом устройств для управления. Управ-
ление роботом производится по программе дистанцион-
но от пульта, установленного вне рабочей зоны и свя-
занного с ним кабельными линиями и трубопроводами.
По степени сложности систем управления роботы делят
на три большие группы — уровни. К нижнему уровню
относят работы с цикловой системой управления, ко вто-
рому — роботы с позиционной системой и к третьему —<
роботы с контурными системами.
Цикловые системы применяются в роботах упрощен-
ной конструкции, не оснащенных обратными связями
и измерительными преобразователями. Программирует-
ся 30—50 команд; приводы управляются по принципу
включено — выключено; движения по степеням свободы
регулируются перенастраиваемыми ограничителями,
жестко закрепленными в одной из 3—5 точек позициони-
рования по каждой координате. В качестве ограничите-
лей используются концевые контактные выключатели
или разъединители; например, на руке имеются углуб-
ления, в которые западают выступы контактных пла-
стин (на рисунке не показаны) и размыкают цепь
управления движением.
Позиционные системы расширяют технологические
возможности роботов и позволяют практически исклю-
чить ограничения, связанные с числом точек позициони-
рования рабочих органов. Силовые приводы оснащают-
ся контурами обратной связи и устройствами для конт-
роля шагов перемещения рабочих органов; система
управления содержит несложную ЭВМ с небольщим за-
поминающим устройством (ЗУ) — на 1000—2000 команд.
В качестве ЗУ используют коммутационные панели с ло-
гическими элементами или с подвижными носителями
информации (лентами, дисками и т. д.). Системы управ-
ления роботами этого уровня очень похожи на системы
станков с ЧПУ.
Контурные системы управления используются в ро-
ботах высокого иерархического уровня, оснащенных ор-
ганами чувств (зрение, слух, осязание), ЭВМ и способ-
ных анализировать информацию об обстановке в усло-
виях неорганизованной среды. Их часто называют
разумными', к ним в подчинение могут быть приданы ро-
боты— сателлиты (роботы с цикловыми программами
335
управления). Для удовлетворения потребностей произ-
водства требуется семейство — «коллектив» роботов с
различными техническими возможностями. Следует от-
метить, что все типы роботов «наделены» способностью
к обучению для выполнения конкретных операций.
Упрощенная функциональная схема цикловой систе-
мы управления робота приведена на рис. 11.14. Она со-
Рис. 11.14. Структурная схема упрощенной цикловой системы управ-
ления роботом.
держит генератор импульсов ГИ, блок распределения
импульсов БРИ, коммутационную панель КП, блок
триггеров БТ, блок электромагнитных клапанов БК,
концевые ограничители КО на рабочих органах и реле
времени РВ. Блок ГИ собран по схеме мультивибрато-
ра: он вырабатывает непрерывную последовательность
импульсов, частоту которых можно регулировать, на-
пример, от 10 до 50 Гц. Блок БРИ состоит из двух по-
следовательно соединенных четырехразрядных кольце-
вых счетчиков с дешифраторами, выходы которых под-
ключены к 100—200 гнездам соединителей первой поло-
вины коммутационной панели. Гнезда второй половины
панели присоединены к единичным входам триггеров,
количество которых соответствует числу направлений
движения рабочих органов робота и обслуживаемого
оборудования (станка, пресса и др.). Выходы триггеров
через усилительные каскады (на схеме не показаны)
подключены к обмоткам электромагнитных клапанов,
установленных в распределителе жидкости 2 робота
(см. рис. 11.13); вторые входы триггеров БТ соединены
с концевыми ограничителями, смонтированными на по-
зиционных точках рабочих органов робота.
Подготовка робота к работе. Предварительно составляется кар-
та технологического процесса 'с указанием действий по каждой
степени подвижности; например: 1) взять заготовку со стеллажа; 2)
336
повернуться к прессу; 3) положить заготовку в ручей штампа; 4) вклю-
чить штамп; 5) взять готовую деталь; 6) повернуться на 70°; 7) по-
ложить деталь в ящик; 8) повернутся еще на 30° н т. д. Последо-
вательность действий робота с карты операций переносится на ком-
мутационную панель пульта управления, для чего гнезда каждой
из координат второй половины панели соединяют проводниками с
гнездами первой половины панели (выходами дешифраторов). Гнез-
да дешифраторов выбирают с учетом времени, необходимого для
движения рабочего органа по соответствующей координате. Под-
ключаются также и гнезда панели, соединенные с релейными эле-
ментами обслуживаемого оборудования (включение станка, останов
станка и др.). На наборном поле панели имеются гнезда для повто-
рения циклов и останова робота. Соединение гнезд коммутационной
панели проводниками называется набором программы робота. Эту
процедуру желательно сопровождать пробными включениями робота
раздельно по координатам — обучать его; при пробных пусках уточ-
няются линейные и угловые движения рабочий органов. По оконча-
нии отладки программы производится пуск'робота для работы.
Робот в рабочем режиме. Непрерывная последовательность им-
пульсов с ГИ поступает на кольцевые счетчики. Каждый десятый
импульс с первого счетчика переносится на вход второго счетчика;
поскольку счетчики и дешифраторы соединены последовательно, а
выходы дешифраторов подключены к гнездам панели, то команды
на клапаны гидросистем будут проходить через открытые входы
триггеров в заданной программной последовательности. Сигнал об
окончании движения поступает с концевых ограничителей иа нуле-
вые входы триггеров нлн по окончании цикла по команде от реле
времени. Кроме гнезд на коммутационной панели имеется еще не-
сколько тумблеров и кнопок для включения источников питания,
отдельных блоков, а также кнопки «Пуск», «Останов» робота и об-
служиваемого оборудования.
11.9.	АСУ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ
АСУ второго иерархического уровня широко приме-
няются на различных производствах — в приборострое-
нии, электронной промышленности, в металлургии, неф-
техимии, в геологии на буровых вышках, на транспорте
и т. д. АСУ этого уровня выполняют обширный перечень
операций в зависимости от назначения и производства.
Часто отдельные автоматические агрегаты объединяют-
ся в последовательно-параллельные группы оборудова-
ния, которые образуют единую непрерывную автомати-
зированную линию. Работа линии синхронизирована с
различными отделами и службами предприятия и про-
изводится в соответствии с графиком выполнения произ-
водственного цикла. Примером АСУ этого уровня явля-
ется система оперативного управления процессом сбор-
ки цветных кинескопов для телевизоров. Кинескоп
является сложным прибором и состоит из многих десят-
22—. Ю7	337
ков комплектующих деталей. В процессе сборки выпол-
няется более восьми тысяч различных технологических
операций.
АСУ участка кинескопов (рис. 11.15) состоит из циф-
ровой вычислительной машины ЭВМ типа «Электроника
К-200» с блоками постоянной ПЗУ и оперативной ОЗУ
памяти. В комплекс АСУ входят блок ввода информа-
Рис. 1LJ5- Автоматизированная система управления на участке сбор-
ки телевизионных кинескопов (упрощенный вариант).
Рис. 11.16. Укрупненная схема АСУ третьего уровня, например, ме-
таллургического завода.
цин ВВП, поступающей с датчиков количественной ин-
формации Д, блоки отображения информации ОИ в от-
делах и службах предприятия, приборы регистрации
информации (счетчики деталей, самописцы и др.) РИ,
информационные табло ИТ на стендах производствен-
ных участков, в диспетчерской и в кабинете директора.
ЭВМ участка имеет прямую и обратную связь с вы-
числительным центром предприятия ВЦ — машиной
«Минск-32».
АСУ участка решает задачи: собирает, обрабатывает
и отображает оперативную информацию; синхронизиру-
ет потоки на сборочном конвейере; учитывает потери и
брак; контролирует состояние оборудования и учитыва-
ет время его работы и простоев; рассчитывает выполне-
ние плана за сутки и с начала месяца, а также технико-
338
экономические показатели; отображает информацию о
ходе технологического процесса в различных отделах;
оповещает об аварийных ситуациях и др.
Типичным примером АСУ третьего уровня может
служить система автоматизированного управления За-
падно-Сибирским металлургическим заводом, которая
состоит из четырех основных ОП и многих вспомога-
тельных ВП подсистем (рис. 11.16). Основные под-
системы I—IV осуществляют управление всеми вида-
ми производственной, административно-хозяйствеииой и
финансовой деятельности. Эти подсистемы производят
расчеты по основным и оборотным фондам, фондам об-
ращения, учет и планирование трудовых ресурсов, про-
изводственных процессов. Основные подсистемы подго-
тавливают месячные, квартальные и годовые планы и
отчеты по всем видам деятельности.
Вспомогательные подсистемы ВЦ выпол-
няют специализированные функции. Одна из подси-
стем— центральная информационная — ЦПИ АСУ об-
общает выходные данные основных подсистем и выраба-
тывает оптимальные критерии для каждой из них. К ВП
относятся и локальные подсистемы цехов и производ-
ственных участков. Такими подсистемами являются:
подсистема цеха выработки кокса 1, цеха коксохимичес-
кого производства 2, доменного производства 3, стале-
плавильного, сортопрокатного и других цехов, а также
подсистемы железнодорожного транспорта и энергоснаб-
жения.
Подсистемы всех уровней подчиняются центральной
подсистеме предприятия (ЦП), которая связана с от-
раслевым министерством (на рисунке не показано).
Подсистема координации всех локальных участков
обеспечивает оперативные взаимосвязи участков, состав-
ляет посменные планы работы участков, определяет по-
следовательность выплавки марок стали, прокатки групп
слитков и другие виды деятельности.
11.10.	ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Телемеханическими системами называют автомати-
ческие устройства для управления пространственно-уда-
ленными объектами, например, на железнодорожном
транспорте, в авиации, на нефтегазовых магистралях, на
линиях электропередач и т. д. Телемеханические систе-
22*
.39
мы подразделяют на устройства телеуправления (ТУ),
телесигнализации (ТС) и телеизмерения (ТИ); устрой-
ства ТС и ТИ называют устройствами телеконтроля.
Телемеханические системы используются для пере-
дачи коротких команд типа ВКЛЮЧИТЬ, ВЫКЛЮ-
ЧИТЬ или ВКЛЮЧЕНО, ОТКЛЮЧЕНО. Сигналы, ко-
торые воздействуют на управляемые объекты, называ-
ются командами, а сигналы, характеризующие состояние
этих объектов, — сообщениями. Команды формирует
оператор (диспетчер), сообщения формируются автома-
тически.
Системы ТУ предназначаются для управления объ-
ектами, ТС — для наблюдения за этими объектами,
ТИ — для контроля различных параметров объектов —
давления, электрического напряжения, тока, температу-
ры, уровня жидкости и т. д.
Телемеханические системы по территориальному при-
знаку делятся на диспетчерские пункты (ДП) — пункты
формирования и посылки команд и на контролируемые
пункты (КП)—пункты выполнения команд и сигнали-
зации об этом. Диспетчерские и контролируемые пунк-
ты называются полукомплектами телемеханических
систем. Из одного ДП производится управление несколь-
кими контролируемыми пунктами. Управляемые объек-
ты на КП располагаются сосредоточенно либо рассредо-
точенно, на разных расстояниях один от другого или не-
большими группами.
Связь ДП с КП осуществляется по специальной про-
водной {воздушной или кабельной) линии. Часто ис-
пользуются телефонные линии связи и провода линий
электропередач. Широко применяются радиорелейные
линии и радиопередающие устройства. К линиям связи
предъявляется много требований по различным крите-
риям — пропускной способности, экономичности, надеж-
ности, помехоустойчивости и т. д. Практически инфор-
мацию передают на одной линии по нескольким каналам
связи, что становится возможным, если информацию ко-
дировать. Существует много видов кодирования телеме-
ханической информации.
На рис. 11.17 представлена телемеханическая систе-
ма, состоящая из диспетчерского ДП, контролируемого
ДП пунктов и линии связи. В ДП содержатся устрой-
ства: пульт управления 1 с переключателями и кнопка-
ми, блок кодирования команд 2 с фильтрами кодовых
340
признаков, блок передачи информации <3, блок приема
информации 4, блок-дешифратор 5 с фильтрами и щит
отображения информации 6.
В КП входят управляемые объекты 1, оснащенные
исполнительными механизмами и датчиками состояния,
приемник команд 4, блок дешифратора команд 5, блок
кодирования информации о состоянии управляемых объ-
ектов 2 и передающее устройство 3.
го н контролируемого пунктов телемеханиче-
ской системы.
Пульт управления служит для подключения блоков
при необходимости проверки их исправности. Блоки ко-
дирования информации содержат релейные или элект-
ронные элементы для преобразования управляющих сиг-
налов в серию команд. При кодировании каждой коман-
де присваиваются определенные признаки кода, поэтому
она может попасть только по своему «адресу», на свой
механизм и произвести одно определенное действие. Де-
шифраторы «распознают» коды по их признакам и фор-
мируют цепи для прохождения команд на соответствую-
щие механизмы. Блоки кодирования и декодирования
ДП и КП по устройству аналогичны. Разница состоит
лишь в том, что на КП декодированный сигнал вызыва-
ет срабатывание механизма на управляемом объекте,
а на ДП — зажигание сигнальной лампы. Передатчики
команд ДП и КП 3 имеют много общих черт; они состо-
ят из генератора тактовых импульсов, распределителя,
устройств кодирования и декодирования информации и
частотного передатчика. Приемные устройства 4 содер-
жат приемник, блок синхронизации, распределитель,
блок контроля и защиты от помех, запоминающее уст-
ройство. На ДП имеется устройство отображения ин-
341
формации, которое состоит из щита с ключами управле-
ния и световых индикаторов. Состояние контролируемо-
го объекта определяется по световым сигналам.
Линия связи (воздушная, кабельная и т. д.) необхо-
дима для создания каналов связи, по которым произво-
дится независимая передача сигналов на удаленные ста-
ционарные или движущиеся объекты управления. По
одной линии связи может быть передано одновременно
более чем 100 сигналов на группу объектов из 15 единиц
и более. Количество каналов одной и той же линии свя-
зи должно соответствовать числу управляемых объектов.
11.11.	СИСТЕМЫ С ЧАСТОТНЫМ И ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
КАНАЛОВ
Имеется много способов формирования телемехани-
ческой передачи команд. На железнодорожном транс-
порте распространены частотное и время-импульсное
преобразование командных сигналов.
На рис. 11.18 приведена упрощенная схема систем
ТУ—ТС с частотным разделением команд. В передаю-
щем устройстве устанавливаются электронные генерато-
ры синусоидальных колебаний, количество которых рав-
но числу каналов. Каждый генератор (Л—Гп) настраи-
вается на одну определенную для каждого канала ча-
стоту. Резонансные электрические фильтры Ф\—Фп на
выходе генераторов повышают стабильность выходных
сигналов по частоте и амплитуде. Сигналы всех каналов
поступают на передающее устройство Пер и далее в ли-
нию связи ЛС. В одни и те же промежутки времени
могут проходить как команды по одному из каналов, так
и совокупность сигналов по всем каналам с образова-
нием спектра частот.
На КП сигналы с приемного устройства поступают
на блок полосовых фильтров Ф\—Фп, аналогичных тем,
какие имеются в передающем комплекте. Каждый
фильтр пропускает на выход сигнал только «своей» ча-
стоты. Далее сигналы выпрямляются и вызывают сраба-
тывание соответствующих реле, которые приводят в дей-
ствие исполнительные механизмы: «ВКЛЮЧИТЬ транс-
форматор №», «ВЫКЛЮЧИТЬ линию №» и т. д.
Командные сигналы формируются оператором (ди-
спетчером) иа основании действующих электрических
схем и таблицы адресов, присвоенных отдельным управ-
342
ляемым объектам. В таблице против каждого объекта
стоит номер кнопки с рабочей частотой этого канала. По
одной линии можно организовать до девятнадцати кана-
лов связи для управления объектами на расстоянии до
500 км. Первая частота f=450 Гц, последующие увели-
чиваются на 180 Гц; 19-й канал имеет частоту f=
. =3690 Гц.
Рис. 11.18. Упрощенная структурная схема телемеханической систе-
мы с частотным разделением каналов.
Схема системы ТУ—ТС с временным разделением
каналов приведена на рис. 11.19. В составе аппаратуры
диспетчерского и контролируемого пунктов содержатся
распределители (переключатели) Пя и Пк, подвижные
контакты которых перемещаются синхронно. На ДП
команды формируются при помощи ключей (кнопок)
Ki—Кп. Сформированные команды поочередно проходят
по линии связи на распределитель Пк контролируемого
пункта КП. Выходные контакты распределителя при-
соединены к обмоткам реле Р\...РП, которые включают
объекты — разъединители контактной сети, контакторы
подстанций и др. Телемеханическая система ТУ—TG
с временным разделением каналов рассчитана для об-
служивания десяти КП, на каждом из которых может
быть установлено до десяти объектов управления и сиг-
нализации.
Принцип действия системы ТУ—ТС с временным разделе-
нием основан на поочередной передаче команд на объекты или на
последовательном во времени приеме сигналов их состояния. Так,
например, чтобы отключить третий разъединитель контактной сети,
необходимо поставить скользящий контакт распределителя 1ТЯ в по-
ложение 3 и нажать кнопку. При этом команда в виде импульса по-
стоянного тока пройдет иа реле КЗ и произведет соответствующую
оаерацию. На каналы с другими реле эта команда поступать не дол-
жна. Такой вариант достигается только при синхронном переключе-
343
нии скользящих контактов Пя и Пк, находящихся на большом удале-
нии друг от друга. Синхронное переключение — одно из важнейших
требований надежной работы системы ТУ—ТС.
В реальных системах применяются, как правило, электронные
распределители-коммутаторы. Для синхронной передачи командной
Информации импульсы кодируют, т. е. 11рисваивают им определенные
импульсные признаки; к ним относятся полярность, длительность и
частота следования импульсов, их количество в пакете импульсов,
паузы между ними и т. д. Широко распространен метод, при кото-
Рис. 11.19. Принцип устройства телемеханической системы с времен-
ным разделением каналов.
ром один нз серии импульсов делают «сверхдлиииым» — его называ-
ют фазирующим, а остальные образуют обычную последовательность.
Кодирование производится шифраторами, установленными в пе-
редатчиках. Благодаря этому методу одни и те же каналы исполь-
зуются и для передачи команд и для синхронизации переключения
каналов. В приемнике имеются фильтры-дешифраторы, которые -< от-
кликаются» иа фазирующие импульсы и в соответствии с кодом вы-
рабатывают управляющие сигналы, приводящие в действие исполни-
тельные механизмы объектов или сигнализацию.
11.12.	ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Надежностью называется способность изделия сохранять зало-
женные в нем при проектировании и изготовлении технические ха-
рактеристики и параметры в течение заданного времени эксплуата-
ции, хранения и транспортировки. Понятие надежности распростра-
няется на все технические объекты — от детали до сложного изде-
лия в целом. Надежность сложного изделия зависит от надежности
каждого из входящих в него элементов.
Проблемы безотказной — надежной — работы изделий имеют
огромное народнохозяйственное значение, так как влияют иа эко-
номические показатели и, что не менее важно, оказывают воздей-
ствие на социальные, морально-нравственные и научно-технические
факторы; высокая надежность изделий стимулирует ускорение на-
учно-технического прогресса, низкий уровень надежности тормозит
техническое развитие.
Надежность — комплексное свойство изделий, характеризуемое
безотказной работой, долговечностью, ремонтопригодностью и сохра-
няемостью как изделия в целом, так и его частей. Выход из строя —.
344
отказ — хотя бы одного элемента приводит к отказу всего изделия
или ухудшению качества работы. Различные элементы устройства —-
лампы, транзисторы, микросхемы, трансформаторы, электродвигате-
ли, механизмы и т. д. — обладают неодинаковой надежностью. Под
надежностью или безотказностью изделия понимается также его
свойство поддерживать рыходные параметры в пределах допусков
в течение определенного интервала времени в реальных условиях
эксплуатации, т. е. при заданных входных воздействиях; по окон-
чании этого интервала изделие может оставаться исправным (удов-
летворять предъявляемым требованиям) или неисправным — (не
удовлетворять предъявляемым требованиям). Эти противоположные
состояния изделия в общем случае являются вероятностными собы-
тиями.
Надежность оценивают качественными и количественными пока-
зателями. Качественная оценка основана иа сопоставлении соответ-
ствия или несоответствия основных характеристик изделия примени-
тельно к конкретной цели. Часто в ней не отражаются такие факторы,
как экономичность, стоимость, доступность и т. д. Количественные
показатели надежности позволяют дать всестороннюю оценку как
безотказной работоспособности изделия, так и других критериев, в
том числе экономичности, срока службы изделия, состава комплекта
запасных частей, стоимости выполнения поставленной задачи и т. д.
Для количественной оценки надежности применяются теория вероят-
ностей и теория случайных процессов, а также статическое про-
граммирование, теория массового обслуживания и другие теорети-
ческие и экспериментальные (статистические) математические мето-
ды. Определение надежности должно быть теоретически обосновано
для каждого конкретного изделия с учетом его принципа работы.
Отказ — это полная нли частичная утрата работоспособности,
т. е. нарушение нормального функционирования изделия Отказы
подразделяются иа внезапные и постепенные, независимые и зави-
симые, полные и частичные, устойчивые и самоустраняющиеся (или
перемежающиеся), очевидные (явные) и скрытые — неявные. Каж-
дый из них имеет причинные связи и по-разному влияет на рабо-
тоспособность изделия. Например, внезапные отказы возникают в
результате резкого изменения рабочих параметров от случайных
внешних факторов; часто им предшествуют не обнаруженные в про-
изводстве дефекты или своевременно недооцененные факторы. Пос-
тепенные отказы проистекают вследствие изнашивания или старения
деталей и т. д.
При испытании объектов — изделий — на надежность удобно
подразделять их иа две группы: 1) изделия непрерывного действия,
не допускающие остановок в работе, например ракеты, управляемые
снаряды, искусственные спутники Земли и т. д, и 2) изделия перио-
дического действия, во время эксплуатации которых возможны оста-
новки; к ним относятся металлообрабатывающие станки, автомоби-
ли, телевизоры и т. д.
Для количественной оценки надежности обеих групп изделий
часто пользуются такими критериями, как вероятность безотказной
работы, частота отказов, интенсивность отказов, среднее время без-
отказной работы, среднее время между соседними отказами и др.
Выбор тех или иных количественных характеристик зависит от то-
го, насколько глубоко оценивается надежность изделия.
Вероятностью безотказной работы P(t) называется вероятно-
стная функция интервала времеии, в течение которого не случается
345
яя одного отказа работы устройства, тождественно равная стати-
стическому показателю
Р (0 = Р (Л -0® N/N, = (V, - n)/Nt,
где Т। — время работы изделия до первого отказа; t — время, в те-
чение которого определяется вероятность безотказной работы; —
общее количество изделий, включенных в работу; N — количество
оставшихся исправными изделий, отработавших в течение времени
t', п — количество изделий, получивших повреждение до окончания
заданного интервала времени. P(t) является убывающей функцией
времени (рис. 11.20) и изменяется в пределах 0<о(/)<1 при р(0) =
= 1 и Р(оо)=0.
Р(1)
Рис. 11.20. Изменение вероятности без-
отказной работы P(t) со временем.
При подсчете вероятности безотказной работы теоретический
результат практически ^совпадает с результатом обработки стати-
стических данных, полученных при испытании большого количества
изделий.
Наравне с вероятностью безотказной работы часто пользуются
функцией Q(/)—вероятностью отказов — событием, противополож-
ным P{t}\
Л'о	"о
Уменьшение вероятности безотказной работы (рост числа отка-
зов) со временем означает износ элементов, т. е. уменьшение ресур-
са надежности. Вероятность безотказной работы сколь угодно слож-
ного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы
ее элементов:
i=JV0
р(/) = П р. (0.
i=i
где П — произведение вероятностей Pi отдельных деталей.
Частотой отказов a(t) называется отношение числа отказавших
изделий в единицу времени к первоначальному количеству изделий
а(/) = n
где п(А1)—число отказавших образцов в интервале времени от
t—M/2 цо 1+Ы/2.
Можно определить зависимость между a(t) и P(t), которую
часто применяют при подсчете надежности. Если обозначить: N(t) —
число образцов, исправных в начале работы, и	—число ис-
правных образцов в конце интервала Д1, после преобразований
346
иолучим;
п(Д0 = аг(0 —*(/ + А0; N (0 = N<>р (0; N(t+ht) =
= N«P(t + M}-,
... р (t)-P(t + Ы)
а^= й 
Частота отказов а(1) есть плотность вероятности времени рабо-
ты изделия до первого отказа.
Рис. 11.21. Изменение интенсивности от-
казов Х(0 со временем.
Интенсивность отказов k(t) — это отношение числа отказавших
изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно ра-
ботающих в данный отрезок времени:
, А, (1) =
где N = (Nf+Nf+t)/2 — среднее число образцов, исправно работаю-
щих в интервале времени Д<;	— количество исправных изделий в
начале, Ni+i — в конце интервала времени.
График интенсивности отказов Х(1) со временем приведен иа
рис. 11.21. Начальный участок I отражает процесс приработки, во
время которого отказывают элементы со скрытыми/* производствен-
ными дефектами, приводящими, как правило, к внезапным отказам.
Число отказов возрастает по экспоненциальному закону. Участок
Л отражает нормальную работу всех элементов изделия, интенсив-
ность отказов остается примерно постоянной. Длительность этого
участка обусловлена техническим уровнем производства, т. е. качест-
вом изготовления изделий. На участке III (участке износа) воз-
растает число отказов вследствие постепенного увеличения парамет-
ров выше предельно допустимых. Этот показатель часто применя-
ется для оценки надежности, так как входит в качестве сомножи-
теля в другие, более общие характеристики систем, например эффек-
тивность, стоимость и др.
При подсчете интенсивности отказов связь между X(Q, a{t) и
P(t) определяется формулой Х(0 = а(1)/Р(1).
Интенсивность отказов обозначается в единицах времени 1/ч =
= ч-1, умноженных на соответствующий коэффициент (10~3,
10~“,...), и для различных типов элементов меняется в широких
пределах; она приводится в справочных таблицах и имеет примерно
следующие значения: для мощного лампового триода 20-10-“, для
германиевого транзистора 0,9-10~“, для кремниевого транзистора
0,5-10~®, для электродвигателя 30-10—е, аккумулятора 7,2-10-“, ин-
тегральной микросхемы 0,8-10-8 ч-1 и т. д. Если все элементы дан-
ного типа равноиадежиы, интенсивность отказов изделия будег
равна:
А(0 = 2
i~X
где N — число элементов 1-го типа; г — число типов элементов.
347
Среднее время безотказной работы Тср оценивается математи-
ческим ожиданием времени работы изделия до первого отказа Оно
равно среднему времени работы одного изделия вплоть до момента
повреждения
/<=л. \ I
Тер = ( 2 Na'
Количественную оценку надежности изделий периодического
действия производят не только при помощи показателей, приведен-
ных выше, но и таких, как среднее время между соседними отказа-
ми tep, среднее время восстановления во время работы т, коэффи-
циент готовности Кг и др.
Средним временем между соседними отказами 1Ср является
среднее суммарное время работы одного из изделий (i-ro изделия);
(i—n \ /
2 fi ] п'
<=1 //
Подсчет количественных показателей надежности часто осущест-
вляется по формулам (законам) распределения времени безотказной
работы, предложенным отдельными авторами. Наиболе универсаль-
ным, пожалуй, является экспоненциальный закон, связывающий не-
вероятность безотказной работы с интенсивностью отказов:
/	t	\
Р (t) — exp I — j X (/) dt j ял e~f’1.
\ о	J
Контрольные вопросы
1.	Дайте определение автоматической системы, назовите основ-
ные части, поясните рисунками.
2.	Чем отличаются между собой аналоговые и дискретные, ли-
нейные и нелинейные, стационарные и нестационарные АСР?
3.	Объясните функциональную схему аналоговой АСР и назна-
чение входящих в нее элементов. Расскажите о режимах работы
АСР.
4.	Расскажите об элементарных звеньях АСР и их реализации.
5.	Вспомните критерии оценки устойчивости и качества регули-
рования.
6.	Как устроены и работают нелинейные АСР?
7.	Приведите классификацию АСУ, объясните особенности неко-
торых из них.
8.	Сформулируйте задачи, решаемые телемеханическими систе-
мами. Как они подразделяются? Как они комплектуются?
9.	Какими количественными показателями оценивается надеж-
ность изделий?
348
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Попов В. С., Николаев С. А. Общая электротехника с основами
электроники. — М.: Энергия, 1976. — 568 с.
2.	Бочаров Л. Н. Электронные приборы. — М.: Энергия, 1980.—
362 с.
3.	Жеребцов И. П. Основы электроники. — Л.: Энергия, 1974.—
464 с.
4.	Стрыгии В. В. Основы автоматики и вычислительной техни-
ки. — М/ Энергоиздат, 1981. — 294.
5.	Микросхемы и их применение/ В. А. Батушев, В. Н. Вениами-
нов, В. Г. Ковалев и др. — М,; Энергия, 1978.—248 с.
6.	Ворощук А. Н. Основы ЦВМ и программирование. — М.:
Наука, 1978. — 464 с.
7.	Демидович Н. Б., Монахов В. М. Программирование и
ЭВМ. — М.: Просвещение, 1977. — 230 с.
8.	Барчихии А. А., Григоревский М И., Ходорович А. М. Руко-
водство по оборудованию и организации лаборатории «Общая элект-
ротехника с основами электроники». — М.: Высшая школа, 1980.—
53 с.
9.	Рабинович Э. А. Сборник задач и упражнений по общей
электротехнике. — М.: Энергия, 1978. — 304 с.
10.	Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и
интегральным схемам/Под общ. ред, Н. Н. Горюнова. — М.: Энергия,
1976. — 744 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Алгебра логики 229
Алгоритм 282
Анод 19, 112
База транзистора 75
Байт 291
Баланс амплитуд 178
— фаз 178
Барьер потенциальный 24, 61
Бит 291
Варикап 73
Вентиль 122
Гармоники 125
Двойной электрический слой 14, 61
Делитель напряжения 112, 193, 196
Демодулятор 173
Детектор 194
Дешифратор 244
Динод ФЭУ 111
Диффузия 58, 254
Дрейф частиц 58
Дроссель 46, 134, 157
Емкость р-п перехода 64
Закон степени 3/2 21
Запирающий слой 61
Заряд пространственный 24, 61
Излучения 105
Импульс 183
Интегральные микросхемы (ИМС)
254
Информация 277
Калибратор 213, 214
Канал встроенный 93
—	индуцированный 93
—	связи 340
Качество регулирования 335
Код обратный, прямой н дополни-
тельный 288
Кольцо ферритовое 292
Командоаппарат 329
Критерий устойчивости 322
Лампа люминесцентная 46
— неоновая 44
Линия связи 340
Матрица памяти ферритовая 293
МДП-траизнстор 92
Микросхема 252
Модулятор 172, 207
Модуляция яркости ЭЛТ 207
Напряжение запнрання 24
— смещения 87, 162
Носитель зарядов.
генерация 54
градиент концентрации 54
инжекция 76
подвижность 58
рекомбинация 54
Объект регулирования 310
Операнд 282
Пентод 32
Передаточная функция звена (сис-
темы) 318
Перфокарта (лента) 289
Поле — ускоряющее 16
350
электрическое тормозящее 17
Прожектор электронный 210
Проницаемость ламп 27
Пульсации напряжения 125
Работа выхода электрона 15
Радиатор охладительный 69
Регистр 249
Реле электромеханическое 219
—	(^езъякорное 221
—	электронное 223
Связь дроссельная 157
•	4 обратная 162
трансформаторная 158
Сетка защитная 32
—	управляющая 23, 32
—	экранная 28, 32
Симистор 101
Станок с ЧПУ 328
Сумматор 298, 314
Счетчик импульсов 237
Тахогенератор 314
Термопреобразователь 196
Тетрод 28
—	лучевой 31
Ток диффузионный 58
—	дрейфовый 58
—	обратный 62, 76
----полупроводникового днода 77
—	прямой 66
Транзистор биполярный 74
—	полевой 88
Трансформатор 122
Триггер 233
Угол отсечки 138, 152
Уравнение лампы внутреннее 27
— характеристическое 319
Уровень иерархии 328
— Ферми 14, 57
Усиление 79
Устойчивость АСР 321
Фазовращатель 140
Формирователь колебаний 177
Фотодиод 116
Фотолитография 254
Фотопроводимости 105
Характеристика амплитудная 144
— вольт-амперная р-п перехода 63
— переходная 146
— световая 109, 115, 118
— спектральная 115, 118
—	фазовая н частотная 145
Чувствительность 108, 191, 211
Шифратор 243
Экситрон 42, 50
Электропроводность полупровод-
ников дырочная 55
---- электронная 55
Элемент активный 147, 257
—	И (коиъюнктор) 231
ИЛИ (дизъюнктор) 232
—	НЕ (инвертор) 230
—	пассивный 149, 260
Эпитаксия 255
Эффект дннатрониый 30
Языки алгоритмические 304
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие.........................	. i . s s 3
Введение................................... . .	5
Глава первая. Электронные лампы
1.1.	Общие сведения...........;.....	12
1.2.	Физические процессы в электронных лампах ...	13
1.3.	Электровакуумный диод........................... 1°
1.4.	Триоды.........................................  23
1.5.	Тетроды . . ...........	28
1.6.	Пентоды .	   32
1.7.	Комбинированные и специальные лампы ....	35
1.8.	Классификация и условные обозначения электронных
ламп...........................................  35
Контрольные вопросы.................................  36
Глава вторая. Газоразрядные приборы
2.1.	Электрические разряды в газовой среде; вольт-ампер-
ная характеристика газоразрядных приборов .	.	37
2.2.	Классификация приборов по видам газовых разрядов
н их применение................................. 41
2.3.	Газоразрядные приборы с холодным катодом . .	42
2.4.	Газоразрядные (люминесцентные) лампы ....	46
2.5.	Газотроны и тиратроны несамостоятельного разряда	47
2.6.	Ртутные вентильные приборы.............  .	49
2.7.	Условные обозначения газоразрядных приборов . .	51
Конт	рольные вопросы.......................  .	51
Глава третья. Полупроводниковые приборы
3.1.	Электропроводность полупроводников ....	55
3.2.	Электронно-дырочный переход ......	59
3	3. Полупроводниковые диоды ........	62
3.4.	Биполярные транзисторы ........	74
3.5.	Полевые транзисторы .........	88
3.6.	Тиристоры ............	95
Контрольные вопросы .................................104
Глава четвертая. Фотоэлектрические приемники излу-
чения
4.1.	Общие сведения о фотопроводимости .....	105
4	2. Вакуумные и газоразрядные фотоэлементы . , .	107
4.3.	Фотоэлектронные умножители......................111
351
Стр.
4.4.	Фоторезнсторы  .................................. И 4
4.5.	Фотогальванические приемники излучения . . . .	116
Контрольные вопросы.................................121
Глава пятая. Электронные выпрямители
5.1.	Основные сведения................................121
5.2.	Однополупернодное выпрямление....................124
5.3.	Двухполупериодные однофазные выпрямители .	.	127
5.4.	Трехфазиые выпрямители...........................129
5.5.	Сглаживающие фильтры.............................132
5.6.	Управляемые выпрямители..........................136
Контрольные вопросы...................................140
Глава шестая. Электронные усилители
6.1.	Общие сведения....................; . .	.	141
6.2.	Показатели работы усилителей.....................143
6.3.	Модель усилительного каскада. Принцип усиления.
Режимы работы усилительных элементов ....	147
6.4.	Каскады предварительного усиления, Междукаскад-
ные связи. Составные транзисторы	'...............154
6.5.	Питание усилительных каскадов. Стабилизация режи-
мов работы усилителя. Обратные	связи ....	160
4J.6. Оконечные (выходные) каскады....................165
6.7. Усилители постоянного тока.......................170
6.8. Избирательные усилители..........................173
Контрольные вопросы...................................176
Глава седьмая. Электронные генераторы и измеритель-
ные приборы
7.1.	Общие сведения . .....................  .	.	176
7.2.	Генераторы синусоидальных колебаний	....	178
7.3.	Генераторы прямоугольного напряжения	....	183
7.4.	Генераторы пилообразного напряжения	.	...	187
7.5.	Электронные аналоговые (стрелочные)	приборы	.	.	191
7.6.	Электронные цифровые вольтметры.............201
7.7.	Электронный осциллограф.....................205
7.8.	Основные блоки осциллографа.................209
7.9.	Осциллографы в экспериментальных	исследованиях	214
Контрольные вопросы...................................218
Глава восьмая. Элементы автоматики и вычислительной
техники
8.1.	Электрические контактные реле....................219
8.2.	Электронные контактные реле......................222
8.3.	Логические элементы..............................229
8.4.	Триггеры.........................................233
8.5.	Счетчики импульсов...............................237
8.6.	Шифраторы и дешифраторы..........................242
8.7.	Распределители сигналов..........................246
8.8.	Регистры.........................................249
Контрольные вопросы...................................251
352
Стр.
Глава девятая. Интегральные микросхемы
9.1.	Общие сведения...................................251
9.2.	Полупроводниковые, пленочные н гибридные интег-
ральные микросхемы................................253
9.3.	Активные элементы интегральных микросхем	.	.	.	257
9.4.	Пассивные элементы микросхем.................260
9.5.	Цифровые интегральные микросхемы.............264
9.6.	Аналоговые интегральные микросхемы	....	270
9.7.	Функциональная классификация ИМС. Условное обо-
значение, типы корпусов...........................273
Глава десятая. Электронно-вычислительные машины
10.1.	Общие сведения о вычислительной технике. Разно-
видности ЭВМ..........................................276
10.2.	Состав цифровой ЭВМ и взаимодействие ее частей 279
10.3.	Системы счисления и операции иад числами. Кодиро-
вание. Представление информации в ЭВМ . .	. 282
10.4.	Устройства ввода и вывода информации	. .	. 288
10.5.	Устройства памяти	ЭВМ...........................291
10.6.	Процессоры......................................297
10.7.	Понятие о программировании......................304
Контрольные вопросы...................................309
Глава одиннадцатая. Электронные устройства в ав-
томатических системах
11.1.	Общие сведения об автоматических системах	.	.	310
11.2.	Структура автоматических систем регулирования	.	313
11.3.	Показатели работы АСР.........................320
11.4.	Нелинейные АСР................................324
11.5.	Адаптивные АСР................................325
11.6.	Автоматизированные системы управления .	.	.	327
11.7.	Станок с числовым программным управлением	.	.	328
11.8.	Работы (автоматические манипуляторы) .	.	.	332
11.9.	АСУ второго и третьего иерархвческих уровней	.	337
11.10.	Телемеханические системы......................339
11.11.	Системы с частотным и временным разделением
каналов.............................................342
11.12.	Проблемы надежности в электронике ....	344
Контрольные вопросы..................................348
Список литературы ....................................... 349
Алфавитный указатель......................................350