Полупроводниковые микросхемы. Векторная диаграмма электрической цепи. Однополупериодный выпрямитель

Контрольная работа № 2

Электротехника

Вариант № 49

Задание 1

Вопрос 49. Элементы полупроводниковых схем и их соединение

Ответ

Универсальным элементом монокристаллической микросхемы служит р-n-переход, являющийся слоем, изолирующим микрообласти, сформированные в кристалле.

Этот переход может выполнять роль вентиля (диода). Структуры из нескольких р-n-переходов служат транзисторами, тиристорами и другими активными элементами. Запертый обратным постоянным напряжением p-n-переход выполняет роль конденсатора. Обратное сопротивление p-n-перехода играет роль высокоомного резистора. Для получения резисторов с сопротивлением в сотни кило-ом используют входные клеммы эмиттерных повторителей, собранных на р-n-переходах. В качестве небольших сопротивлений используют просто участки полупроводникового, от которого сделаны контактные выводы.

Определенные трудности связаны с получением индуктивных катушек, поэтому монокристаллические микросхемы обычно проектируют без них.

Многослойные структуры с несколькими p-n-переходами получают, повторяя процессы окисления, формирование маски, диффузии донорных или акцепторных примесей в микрообласти. Пример многослойной структуры приведен на рис. 1.

Рис.1. Многослойная структура с тремя p-n-переходами

Сложные микросхемы требуют многократного снятия и повторного нанесения новой маски методом фотолитографии. Смена масок может осуществляться до полутора десятков раз. При этом важную проблему составляет совмещение масок в соответствии с топологией схемы. На рис. 2 приведена часть полупроводниковой микросхемы, представляющая собой однокаскадный усилитель на транзисторе.

Рис.2. Структура части полупроводниковой ИМС

Сформированную планарную структуру покрывают пленкой оксида кремния, в которой вытравливают окна для напыления алюминиевых или золотых контактов.

Достаточно сложные схемы не удается выполнить без пересечения токопроводящих дорожек. В этих случаях, а также для повышения компактности схемы соединения напыляют в два слоя и более, разделенных изолирующими пленками. Кроме внутриэлементных соединений напыляют стандартизованные по размерам контактные площадки для подвода питания, входных и выходных сигналов.

Полностью сформированные и испытанные на отсутствие брака интегральные микросхемы крепят на керамическом основании корпуса, имеющего внешние выводы. Контактные площадки соединяют с внешними выводами с помощью тончайших золотых проволочек. Для повышения прочности соединения и уменьшения переходного сопротивления между контактной площадкой и проволочкой применяют термокомпрессионную (нагрев и давление) или ультразвуковую сварку.

После выполнения проволочных соединений схемы герметизируют, заливая компаундами на основе эпоксидных или кремнийорганических смол.

Корпуса интегральных микросхем изготовляют из металлических сплавов, стекла, керамики и различных пластмасс, обладающих механической и электрической прочностью, коррозионной стойкостью и не вызывающих химического загрязнения кристалла микросхемы.

Задание 2

Три группы сопротивлений соединили звездой или треугольником и включили в трехфазную сеть переменного тока. Построить в масштабе векторную диаграмму цепи, из которой определить ток в нулевом проводе (при соединении звездой) или линейные токи (при соединении треугольником).

Числовые значения электрических величин, нужные для решения задачи, даны в таблице 4, а схемы на рис.22.

Таблица 4

Решение

1. Определяем полные сопротивления фаз и углы сдвига:

Ом;

Ом;

Ом.

;

;

.

Поскольку реактивное сопротивление в трех фазах носит индуктивный характер, то ток будет отставать от напряжения на величину найденных углов.

2. Реактивное мощность определяется по формуле

,

откуда находим фазный ток

А.

Находим фазное напряжение

В.

Принимаем стандартное значение

В.

Таким образом,

В.

Находим неизвестные фазные токи

А;

А

3. Для построения векторной диаграммы выбираем масштабы по току: 1см – 2 А, по напряжению: 1 см – 20 В. Построение диаграммы начинаем с векторов фазных напряжений ,  и , располагая их под углом 120° друг относительно друга. Ток  отстает от напряжения  на угол , ток  отстает от напряжения  на угол , а ток  отстает от напряжения  на угол  (рис.3).

Ток в нулевом проводе равен геометрической сумме трех фазных токов, то есть

.

Изменяя длину вектора , которая оказалась равной 4 см, находим ток в нулевом проводе А.

Рис.3. Векторная диаграмма напряжений и токов

Задание 3

Для питания потребителя постоянным током составить схему однополупериодного выпрямителя, используя стандартные диоды, параметры которых приведены в таблице 1.

Мощность потребителя  и напряжения питания  даны в таблице 5 и 6.

Таблица 6

Решение

1. Выписываем из табл.1 Методических указаний выписываем параметры диода Д304:

2. Определяем ток потребителя

А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период для однополупериодной схемы выпрямителя:

В.

4. Проверяем диод по параметрам  и . Для однополупериодной схемы диод должен удовлетворять условиям

; ;

; .

В данном случае первое условие выполняется, а второе условие не соблюдается, то есть . Чтобы выполнялось условие , необходимо два диода соединить последовательно, тогда будем иметь

В.

Полная схема выпрямителя показана на рис.4.

Рис.4. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дубовницкий С.К. Методические указания по изучению дисциплины «Электротехника с основами электроники». Пинск, 2000.

2. Китунович Ф.Г. Электротехника. Мн.: Вышэйшая школа, 1991.

3. Березкина Т.Ф. и др. Задачник по общей электротехнике с основами электроники. М.: Высшая школа, 1991.