ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ р-n ПЕРЕХОДА

May 17, 2010 by admin Комментировать »

М. Гершанович, Ю. Морозов, М. Муралев

Описываемая модель р-n перехода иллюстрирует сле­дующие физические процессы:

диффузию «дырок» из р-области в n-область и образо­вание отрицательно заряженного слоя на границе р-n пе­рехода (рис. 1, а);

диффузию электронов из n-области в p-область и обра­зование положительно заряженного слоя на границе пе­рехода (рис. 1,6);

одновременную диффузию «дырок» и электронов, обра­зование двойного электрического слоя и возникновение контактной разности напряжений UK, а также перемещение неосновных носителей и процесс рекомбинации (рис. I, в). Если напряжение р и и-областей одинаково, то ток диффу­зии будет равен по значению току, создаваемому неоснов­ными носителями (дрейфовому току). Это иллюстрируется «протеканием» по внешней цепи двух равных по значению и противоположных по направлению токов;

включение р-n перехода в прямом направлении, суже­ние «запорного» слоя и протекание прямого тока во внеш­ней цепи (рис. 1, г);

обратное включение р-n перехода, прекращение диффу­зионного тока, протекание обратного тока во внешней цепи и расширение запирающего слоя (рис. 1, д).

clip_image002

Рис. 1. Физические про­цессы, иллюстрируемые с помощью модели:

1 — атомы акцепторов в р-области; 2 — атомы доно­ров в n-области; 3 — «дыр­ки»; 4 — электроны: 5 — не­основные носители р-области; 6 — неосновные носители n-области

В основу работы модели положен принцип, часто ис­пользуемый для получения эффекта «бегущие огни» в елоч­ных гирляндах (см., например, «Радио», 1979, № 11), ко­торый позволяет наглядно иллюстрировать движение элек­тронов и «дырок» и прохождение тока во внешней цепи. Сущность этого принципа заключается в следующем: если расположить электрические лампочки в ряд и поочередно подключать их к источнику напряжения, возникает зри­тельное ощущение перемещения «огня» в одну сторону.

Для поочередного включения лампочек обычно исполь­зуют релейные устройства на транзисторах. В описываемой модели для этой цели применены цифровые микросхемы и тринисторные ключи, что позволило уменьшить потребляе­мую мощность, массу и повысить надежность работы.

Принципиальная электрическая схема модели показана на рис. 2. В устройство входят генератор прямоугольных импульсов, кольцевой счетчик, тринисторные ключи, цепоч­ки последовательно соединенных лампочек накаливания, блок коммутации и блок питания.

Блок питания образуют трансформатор Т1, двухполу-периодный выпрямитель на диодах V25…V28, включенных по мостовой схеме, и стабилизатор напряжения на стаби­литроне V30 и транзисторе V29. Переменные напряжения 14, 40, 50 и 20 В вторичных обмоток III…VI трансформато­ра через блок коммутации подаются к гирляндам ламп H1…HI46, которые имитируют физические процессы и освещают поясняющие надписи на лицевой панели мо­дели.

clip_image004

Рис. 2. Схема динамической модели

Генератор прямоугольных импульсов собран на двух логических элементах 2И-НЕ микросхемы К155ЛАЗ (D1.1 и D1.2) и транзисторе КТ315Б (VI). Работает он следую­щим образом. Пусть в исходном состоянии транзистор VI закрыт. Следовательно, на вход элемента D1.1 подается сигнал логической 1, а с выхода снимается 0; с выхода же элемента D1.2 будет сниматься сигнал логической 1, так как этот элемент микросхемы является инвертором. Полу­ченный импульс напряжения через цепочку резисторов R3R1R2 и внутреннее сопротивление элемента D1.2 заря­жает конденсатор С1. Как только конденсатор CI зарядит­ся до напряжения открывания транзистора, последний от­крывается, и конденсатор начинает разряжаться до тех пор, пока транзистор вновь не закроется, затем процесс повторится.

Частоту генерируемых импульсов в пределах 0,3…3 Гц можно изменять подбором, резистора R2, конденсатора С1 и подстроечным резистором R3.

clip_image006 clip_image008

Рис. 3. Внешний вид модели Рис. 4. Конструкция корпуса

Генерируемый импульс подается на вход кольцевого счетчика, выполненного на двух микросхемах (D2, D3), каждая из которых содержит по два D-триггера. Триггеры соединены в кольцевой сдвигающий регистр. При установ­ке декады в исходное состояние кнопкой S1 «Сброс» на выходе Q первого триггера устанавливается низкий уро­вень, а на Q выходах остальных — высокий. При подаче на вход импульса от генератора низкий уровень появляет­ся поочередна на всех выходах регистра. Чтобы получить положительную полярность импульсов, небходимых для открывания тринисторов V2…V5, на выходах счетчика вклю­чены инверторы D1.3, D1.4, D4.1 и D4.2.

Коммутация цепей питания гирлянд лампочек осуще­ствляется кнопочными переключателями S2…S6 типа П2К. Нажатием кнопки переключателя S2 подают на лампы Н1…Н12 («Дырки») напряжение 20 В и напряжение 40 В на лампы И93…Н98, имитирующие некомпенсированные заряды атомов акцепторной примеси. Кнопкой S3 включа­ют цепочки ламп Н13…Н24 («Электроны») и лампы Н99… Н104, соответствующие некомпенсированным зарядам ато­мов донорной примеси.

Переключателем S4 в цепи тринисторов одновременно включаются лампы Н1…Н12 («Дырки»), HI3…H24 («Эле­ктроны»), Н25…Н56 («Неосновные носители и обратный ток»), Н57…Н80 («Прямой ток»), Н81…Н92 («Рекомбина­ция»), а также Н93…Н98 («Акцепторы»), Н99…Н104 («До­норы»), HW5…H110 («Подсветка») и лампы HI 11…Н128, иллюстрирующие запорный слой и возникновение контакт­ной разности напряжений UK.

clip_image010

Рис. 5. Плата задающего генератора и кольцевого счетчика

В режиме прямого включения р-n перехода кнопкой S5 в цепи тринисторов включаются гирлянды ламп Н1…Н12, Н13…Н24, Н57…Н80, Н81…Н92 и зажигаются лампы Н111…Н128, освещающие суженный запорный слой и надписи « + », « — » источника питания «Un» и-«UкUn», а в режиме обратного включения р-n перехода кнопкой S6 — гирлянды ламп Н25…Н56 («Неосновные носители и обратный ток»), лампы Н129…Н146, подсвечивающие над­писи « — », « + », «UK+Un», иллюстрирующие расширение запорного слоя при обратном включении р-n перехода.

clip_image012

Рис. 6. Плата выпрями­теля со стабилизатором напряжения

clip_image014

Рис. 7. Схема располо­жения лампочек на пе­редней панели

Диоды V6…V24 препятствуют прохождению импульсов тока в гирлянды, которые при том или ином режиме р-n перехода не должны светиться.

Трансформатор TI блока питания выполнен на маг-нитопроводе ШЛ20Х40. Обмотка I содержит 1116 витков провода ПЭВ-1 0,35, обмотка II — 32 витка провода ПЭВ-1 0,15, обмотка III — 73 витка провода ПЭВ-1 0,38, обмотка IV — 210 витков провода ПЭВ-1 0,77, обмотка V ~~ 262 витка провода ПЭВ-1 0,38, обмотка VI — 105 виткое провода ПЭВ-1 0,51.

Внешний вид модели показан на рис. 3. Его корпус размерами 620X520X90 мм (рис. 4) сделан из листово? стали толщиной 0,8 мм и покрыт молотковой эмалью. Ниж­няя и задняя стенки съемные.

clip_image016

Рис. 8. Крепление монтажной панели в корпусе:

1 — монтажная панель; 2 — пенопласт; 3 — лицевгй панель корпуса; 4 — алюминиевая фольга; Д — корпус

Детали генератора импульсов и кольцевого счетчика смонтированы на печатной плате размерами 60X55 мм (рис. 5) из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. На отдельных платах смонтированы выпрямитель со стабилизатором напряжения (рис. 6), блок тиристоров и диодов.

Схема размещения ламп на лицевой панели показана на рис. 7.

Весь монтаж выполнен на панели из изоляционного ма­териала, в которой просверлены отверстия для ламп (рис. 8). Для исключения рассеяния света на панель на­клеен листовой пенопласт толщиной 10 мм с отверстиями под лампы,, оклеенными алюминиевой фольгой. Панель вместе с пенопластом прикреплена к боковым стенкам кор­пуса при помощи двух петель (для удобства осмотра и ремонта).

Лицевая панель – выполнена из органического стекла. Рисунок сделан с обратной стороны. Непросвечиваемые участки панели покрыты алюминиевой краской, а просве­чиваемые — светлой нитроэмалью; контуры рисунка сде­ланы черной нитроэмалью. Для разделения ламп по их функциональному назначению каждая из гирлянд окраше­на в соответствующий цвет.

Трансформатор TI блока питания размещен на дне кор­пуса, а блок кнопочных переключателей — на верхней стенке.

Наладка макета сводится к проверкам работоспо­собности генератора импульсов с помощью осциллографа и контроля прохождения сигналов через кольцевой счетчик. Частоту следования импульсов устанавливают подстроечным резистором R3.

Аналогично можно сконструировать динамическую мо­дель транзистора или других полупроводниковых приборов с р-n переходами. Для этого надо соответственно изменить число гирлянд и расположение ламп на лицевой панели модели.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты