лекция. Лекции Полупроводниковые приборы

• Название: Лекции Полупроводниковые приборы
• Анкор: лекция
• Дата: 19.11.2021
• Размер: 1.16 Mb.
• Имя файла: Lektsii_po_elektronike.docx
• Тип: Лекции; #276721
• страница: 3 из 6

Мостовая схема



Пусть в неко­торый момент времени пе­ременное напряжение на вто­ричной обмотке трансформатора таково, что потенциал точки А выше потенци­ала точки В. Тогда от точки А (« + » источника напряжения) ток будет проходить через диод к точке Г, далее через нагрузку к точке Б и через диод к точке В (« - » источника напряжения). В течение следующего полупериода, когда потенциал точки В выше потенциала точки А, ток от точки В будет проходить через диод , нагрузку и диод к точке А. Для первого полупериода направле­ние тока показано сплошными стрелками, для второ­го полупериода направление тока показано пунктирными стрелками. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.

Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной схемы. Для мостовой схемы (при активной нагрузке) спра­ведливы соотношения:

• 
  Среднее значение выпрямленного напряжения:
  

• 
  Максимальное обратное напряжение на вентилях
  

(*)

• 
  Максимальное значение тока вентиля
  

• 
  Среднее значение тока вентиля
  

• 
  Действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора
  

• 
  Коэффициент пульсаций
  

Выпрямленный ток в данной схеме, в отличие от двухполупериодной схемы со средней точкой, протекает во вторичной обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует намагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет уменьшить размеры и массу трансформатора.

Когда диод не проводит ток, к его аноду приложен положительный потенциал с верхнего конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый диод приложен отрицательный потенциал нижнего конца вторичной обмотки. Таким образом, в непроводящем направлении диод оказывается под напряжением вторичной обмотки трансформатора (*).

Т.е. обратное напряжение на мостовой схеме в 2 раза меньше, чем в двухполупериодной со средней точкой.
Преимущества мостовой схемы выпрямителя пе­ред схемой со средней точкой:
1) обратное напряжение, прикладываемое к неработающим диодам, в 2 раза меньше;

2) конструкция трансформатора проще, так как не требуется вывода средней точки вторичной обмотки;

3) возможность применения схемы без трансфор­матора, когда напряжение сети соответствует напря­жению, которое должно быть приложено к мосту;

4) габариты и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток.
Недостатком мостовой схемы следует считать наличие четырех диодов по сравнению с двумя диодами в схеме со средней точкой.

Трехфазные выпрямители

Выпрямители трехфазного тока применяются, в основном, для питания потребителей средней и большой мощности. При этом они равномерно нагружают сеть трехфазного тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпрямителей наиболее простой является трехфазная схема с нулевым, выводом, представленная на рис. «а».

Рассмотрим работу этой схемы в случае чисто активной нагрузки. Как видно из рис. «а»,схема состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех вентилей и сопротивления нагрузки . Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, вторичная - только звездой. Катоды вентилей , и соединенные между собой, имеют положительный потенциал по отношению к нагрузке . На нулевой точке транс­форматора - отрицательный потенциал.

Вентили в приведенной схеме работают поочеред­но, каждый в течение одной трети, периода, когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух вентилей, т. е. когда соответствующее фазное напряжение будет положи­тельным и больше двух других фазных напряжений. Например, в интервале времени , (рис. «б»), когда напряжение положительно, а напряжения и или отрицательны, или положительны, но имеют меньшее значение, чем напряжение , ток будет проходить по фазе «а» вторичной обмотки трансформатора через вентиль и нагрузочный резистор . В следующую треть периода в интервале времени , будет работать вентиль , так как его анод имеет более высокий положительный потен­циал, чем аноды вентилей и . Ток будет проходить по фазе «b» вторичной обмотки трансфор­матора через вентиль и нагрузку, причем через нагрузку он будет проходить в том же направлении, что и в предыдущую треть периода. После этого будет работать вентиль ,затем снова вентиль и т.д.

На рис. «б» выпрямленное (пульсирующее) на­пряжение, образованное участками синусоид фазных напряжений, изображено более толстой линией. Из этого же рисунка видно, что пульсации напряжения па нагрузке значительно меньше, чем в схемах выпрямителей однофазного тока, и их частота в 3 раза больше частоты сети, что облегчает фильтра­цию. Если применить схему с большим числом вентилей, то пульсации больше уменьшаются, и поэтому в некоторых случаях можно обойтись без сглаживающих фильтров. Укажем основные расчет­ные соотношения для трехфазного выпрямителя:

• 
  Среднее значение выпрямленного напряжения (находится путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения):
  

где - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

• 
  Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:
  

где - амплитуда фазного напряжения

• 
  Максимальное значение тока вентиля:
  

• 
  Среднее значение тока, протекающего через вентиль:
  

• 
  Коэффициент пульсаций
  

4. Сглаживающие фильтры

При рассмотрении схем выпрямителей было уста­новлено, что выпрямленное напряжение всегда явля­ется пульсирующим и содержит кроме постоянной- пе­ременные составляющие. Допустимые значения коэф­фициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Поскольку в любой схеме выпря­мителя коэффициент пульсаций выходного напряже­ния во много раз превышает пределы допустимых зна­чений, на выходе выпрямителей включают сглажива­ющие фильтры. Основными требованиями, предъяв­ляемыми к сглаживающему фильтру, являются умень­шение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленно­го напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновре­менно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания.

Коэффициентом сглаживания называют отноше­ние коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки (дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

Для обеспечения хорошего сглаживания необходимо, чтобы индуктивное сопротивление фильтра (рис. 4.7, а), включенного последовательно с нагруз­кой, было значительно больше сопротивления нагруз­ки на частоте пульсаций , т. е. » . Так как активное сопротивление дросселя обычно невелико, то постоянная составляющая выпрямленного тока не создаст потерь постоянного напряжения, и постоянные напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равными .

Применение индуктивного фильтра выгодно при малых сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях малой мощности), так как в этом случае требуется небольшая индуктивность для получения необходи­мого коэффициента сглаживания.

При включении конденсатора параллельно нагруз­ке (рис. 4.7,6) для лучшего сглаживания пульсаций его емкостное сопротивление должно быть значитель­но меньше сопротивления нагрузки, т. е. « . Конденсатор заряжается через вентиль в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе. В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку.


В качестве конденсаторов фильтра обычно используют электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.

Широкое применение на практике находят Г-образные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 4.8).
П ри выполнении условия « « такие фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные и ем­костные фильтры. По заданному коэффициенту сглаживания пуль­саций можно найти значение про­изведения по следующей форму­ле:
(4.26)
где т-число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы т=1, для двухполупериодных схем m = 2, для трехфазной m = 3); со_с — угловая частота сети.

- угловая частота.
LC –фильтрбудет хорошо работать при » , и ток через дроссель и нагрузку не должен прерывать­ся. Для обеспечения этого необходимо иметь дрос­сель с минимальной индуктивностью
(4.27)
Определив из (4.27) и подставив ее в (4.26), можно определить С_ф.

Более эффективным является П- образный фильтр. На рис. 4.9, а показана схема такого фильтра, пред­ставляющего собой сочетание простейшего емкостно­го и Г-образного фильтров.



рис. 4.9
Для получения более высокого коэффициента сглаживания пульсаций необходимо увеличивать и , что приводит к большим габаритным размерам и массам дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты получаются с помощью сложных многозвенных фильтров, состоящих из нескольких последовательно соединенных Г-образных звеньев фильтра (рис. 4.9, б).

Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров:
(4.28)
Обычно коэффициенты сглаживания отдельных звеньев принимают равными друг другу.

При небольших значениях выпрямленного тока (порядка 10-15 мА) и небольших значениях коэффи­циента сглаживания в целях удешевления и упроще­ния фильтра дроссель можно заменить активным сопротивлением. Тогда получится RC-фильтр(рис. 4.9, в), для которого  .

(4.29)

Сопротивление обычно принимают равным (0,2—0,3) , а конденсатор С_ф выбирают на напряжение, равное напряжению на нагрузке при холостомходе выпрямителя.

В и -фильтрах объем и масса дросселя становятся соизмеримыми с объемом и массой трансформатора. В фильтрах, использующих вместо дросселя транзистор масса и габариты значительно ниже и выходное сопротивление фильтра мало. Принцип действия таких фильтров основан на ис­пользовании особенностей выходной характеристики Транзисторов. При выборе рабочей точки тран­зистора после перегиба выходной характеристики Сопротивление между коллектором и эмиттером постоянному току будет меньше, чем сопротивление переменному току, поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя в схеме фильтра. Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного, КПД транзисторных фильтров низок. При расчете выпрямителя надо учитывать характер сопротивления нагрузки, от которого во многом. Зависят расчетные соотношения. В реальных схемах выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает активным. Это связано с тем, что сглаживающий фильтр, включенный между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой реактивное сопротивление.
5. Биполярные транзисторы
[3] Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости а средняя- противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя- дырочной, называются транзисторами n-p-n-типа. (рис. 3.1а). транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями- p-n-p (рис. 3.1б). В транзисторе n-p-n-типа электрический ток создается в основном электронами, а в транзисторе p-n-p-типа- дырками. Смежный области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называются эмиттером, базой и коллектором.

Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов (электронов) в транзисторе n-p-n-типа, коллектор- область, собирающая носители зарядов.

(рис. 3.1, стр. 212, Китаев)

В условиях работы транзистора к левому p-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер- база Uэ в прямом направлении, а к правому p-n-переходу- напряжение база- коллектор Uк- в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n-переход, переходит (инжектируется) в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником Uк. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк. [5] Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса δ. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода. Данный коэффициент можно определить как отношение управляемого коллекторного тока к току эмиттера, созданного его основными носителями.

Если увеличить напряжение , то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т.е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ∆ . При этом так же увеличится ток коллектора на величину ∆ .

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности и образует ток рекомбинации .

Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, в который входят три составляющие: ток рекомбинации, ток, обусловленный диффузией основных носителей базы через эмиттерный переход , и обратный коллекторный ток, который имеет противоположное направление относительно двух других составляющих базового тока.

Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой. Т.о., ток коллектора Iк=Iэ-Iб окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение

при Uк=const называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α=0,9÷0,995.

Если цепь эмиттер- база разомкнута и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение Uк, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный тепловой ток Iк0, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток сильно зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).

Так как левый (эмиттерный) p-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением , создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение , в результате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

При работе транзистора в качестве усилителя входное переменное напряжение подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора .