Биполярные транзисторы. Схемы включения биполярного транзистора. Основные пар-ры

Полевые транзисторы. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом. Полевой транзистор с изолированным затвором.

Принцип устройства и схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом изображены на рис. 1. Рис. 1 - Полевой транзистор с p-n-переходом и каналом n-типа

Пластинка из полупроводника (в нашем случае n-типа) имеет на противоположных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника E₂ и в нее включена нагрузка R_н. Вдоль транзистора проходит ток основных носителей (в нашем случае электронный ток). Входная (управляющая) цепь транзистора образована при помощи третьего электрода, являющейся областью с другим типом электропроводности (в нашем случае это p-область). Источник E₁ создает на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Прямое напряжение на переход не подается, поскольку тогда входное сопроотивление транзистора будет очень малым. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Рассмотрим физические процессы в полевом транзисторе. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в результате чего изменяется толщина запирающего слоя (на рисунке эта область ограничена штриховыми линиями). Соответственно меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда (выходной ток). Эта область называется каналом. Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду лампы (или эмиттеру и коллектору биполярного транзистора) соответственно. Управляющий электрод, который предназначен для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором. Затвор аналогичен сетке лампы (или базе биполярного транзистора), хотя принцип их работы сильно отличается.

Если увеличивать напряжение на затворе, то запирающий слой становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Его сопротивление постоянному R₀ току растет и ток стока i_с уменьшается. При определенном напряжении на затворе площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток стока уменьшится до весьма малого значения. Транзистор закроется. При напряжении на затворе, равным 0 сечение канала возрастет до наибольшего значения, сопротивление R0 уменьшится до наименьшего значения, ток стока увеличится до максимального значения. Для более эффективного управления выходным током с помощью входного напряжения, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой получается наибольшей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при нулевом входном напряжении) должна быть достаточно малой.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение перехода увеличивается и толщина запирающего слоя становится больше.

Мощность в цепи переменного тока. Мгновенная мощность. Средняя мощность. Эффективная мощность.

Мощность переменного тока

Мощность, выделяемая в цепи переменного тока, непрерывно изменяется. Однако, если разбить период переменного тока и напряжения на очень малые интервалы времени, то в течение их можно считать значения тока и напряжения неизменными. Энергия, выделяемая за малый интервал времени, равна произведению средних значений тока и напряжения на этот интервал: ∆w=iu∆t.

В общем случае ток и напряжение в цепи могут быть сдвинуты друг относительно друга по фазе на некоторый угол (рис. 2-14, а).

Мгновенная мощность

В отличие от цепей постоянного тока, где мощность в течение определенного промежутка времени остается неизменной, в цепях переменного тока дело обстоит иначе. Так как ток и напряжение постоянно меняют своё значение, то и мощность соответственно будет меняться в каждый момент времени. Такая мощность называется мгновенной.

Мгновенной мощностью p(t) называют произведение приложенного к цепи мгновенного напряжения u(t) на мгновенное значение тока i(t) в этой цепи.

График мгновенной мощности представлен на рисунке ниже.

Мощность обозначена заштрихованной областью. Знак мощности зависит от сдвига фаз между током и напряжением. В данном случае в цепи присутствуют только активные сопротивления, которые не создают сдвига фаз, поэтому мощность имеет только положительные значения.

Средняя мощность, формула P=W/t.Если:

P — Средняя мощность (Ватт), W — Работа (Джоуль),

t — Время затраченное на совершение работы (секунд),

Комплексная мощность. Непосредственное вычисление мощности символическим методом по току и напряжению невозможно, так как мощность синусоидального тока – величина несинусоидальная. Однако для вычисления мощности по символическим изображениям напряжения и тока можно использовать искусственный прием.

Рассмотрим на комплексной плоскости векторы напряжения и тока, символические изображения которых в показательной форме соответственно равны:

причем (β-α)=φ т.е. фазовому сдвигу между напряжением и током (рис.2.28).

Умножим комплекс напряжения на сопряженный комплекс тока

Í^∗=Ie^-jα. Такое произведение называется комплексной мощностью:

Таким образом, действительная часть комплексной мощности равна активной мощности, а мнимая – реактивной.

Реактивная мощность положительна при преобладании индуктивной нагрузки и отрицательна при преобладании емкостной нагрузки.

Модуль комплексной мощности: .

Мостовой выпрямитель.

Мостовая двухполупериодная схема характеризуется хорошим использованием мощности транс-

форматора, применяется при мощностях в нагрузке до 1 кВт и более (рис. 15.3). Достоинства выпрямителей, выполненных по этой схеме повышенная частота пульсаций, меньшее обратное напряжение на выпрямляющих диодах. Недостатки – повышенное падение напряжения на

выпрямительном блоке, невозможность установки однотипных диодов

на общем радиаторе без электроизоляционных прокладок.

Рис. 15.3. Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя.

АС-АС преобразователи

Это устройства, преобразующие напряжение переменного тока одной частоты в напряжение переменного тока другой частоты, другого числа фаз или другого уровня напряжения. В частном случае и число фаз, и частота могут оставаться без изменения, а регулироваться будет только выходное напряжение. Рассмотрим, например, регулятор освещенности лампы, показанный на рис 9.38. Меняя интервал замкнутого состояния ключа К в каждом полупериоде, можно регулировать действующее значение напряжения, приложенного к нагрузке. Каким образом выполняется управление, зависит от типа ключа, его возможностей и особенностей. Другой тип АС-АС преобразователей, в которых входное и выходное напряжения непосредственно связаны между собой и называемых циклоконверторами, позволяет сформировать выходное напряжение, частота которого меньше, иногда во много раз, частоты входного напряжения. В настоящее время широкой применение находят АС-АС преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ПЗПТ).

В преобразователях с ПЗПТ легко достигается преобразование числа фаз, регулирование и частоты и действующего значения выходного напряжения. Конденсатор «С» в схеме, выполняя функции накопителя энергии, позволяет обеспечить бесперебойность выходного напряжения при кратковременном пропадании напряжения входной сети. При продолжительных перерывах входного напряжения в точках «а, б» и, следовательно, на выходе, напряжение поддерживается подключенной к этим точкам аккумуляторной батареей.

24 Принципы построения DC-DC преобразователей.Есть 2 основных особенности построения.

Первая особенность касается потребления тока от источника Uвх. Этот ток имеет импульсный характер. Если сопротивление входного источника ненулевое, на его зажимах появляются пульсации напряжения – помехи, влияющие на работу других устройств, подключенных к этому источнику.

Для снижения уровня помех на клеммах входного источника используется входной фильтр преобразователя.

Входной фильтр (Вх.Ф) выполняется таким образом, чтобы большая часть импульсного тока на входе преобразователя смыкалась бы через емкость Вх.Ф, а последовательно с источником и должен быть включен дроссель фильтра, сопротивление которого возрастает при увеличении номера гармоники тока.

Другую особенность DC-DC преобразователей можно увидеть, исследуя баланс мощностей на его входе и выходе:

В (9.5.1) указаны постоянные значения токов и напряжений. Баланс (9.5.1) возможен, если в элементах преобразователя отсутствуют потери, а пульсации напряжения на выходе пренебрежимо малы. Из (9.5.1) следует, что при постоянной мощности в нагрузке возрастание Uвх. приводит к снижению потребляемого тока Iп, и наоборот. Следовательно, входное статическое сопротивление преобразователя, так же как и дифференциальное, оказывается отрицательными. При постановке входного фильтра согласно рис. 9.24 и неправильном расчете его параметров из-за отрицательного входного сопротивления возможно возникновение автоколебаний, которые недопустимы.

Нерегулируемые инверторы.

Существуют большое число вариантов построения схем инверторов. Исторически первыми были механические инверторы, которые в эпоху развитияполупроводниковых технологий заменили более технологичные инверторы на базе полупроводниковых элементов, и цифровые инверторы напряжения.

Полумостовая схема.

Однофазная полумостовая схема инвертора напряжения применяется в источниках питания с промежуточным звеном повышенной частоты, а также может служить элементарной ячейкой трехфазного АИН. В схеме инвертора, показанной на рис. 1.3, одна вертикаль однофазного моста заменена двумя плечами емкостного делителя напряжения, создающего искусственную нулевую точку в источнике питающего напряжения. Как и в предыдущем случае, будем полагать элементы схемы идеальными.

Рассмотрим работу схемы инвертора при симметричном управлении, то есть при условии, что транзисторы VT1, и VT2 находятся во включенном состоянии 180 градусов по частоте выходного напряжения, но включаются со сдвигом по фазе на 180 градусов. Временные развертки электромагнитных процессов в схеме показаны на рис. 1.4. При включении транзистора VT2 точка b схемы подключается к положительному зажиму источника питания, а точка a остается подключенной к искусственной нулевой точке источника питания. При этом к нагрузке прикладывается напряжение равное , а в нагрузке нарастает ток в направлении, указанном на схеме. Так же, как и в мостовой схеме, эдс самоиндукции в этом случае препятствует увеличению тока в контуре. В момент транзистор VT2 выключаются и контур тока нагрузки размыкается. Однако, благодаря энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, ток нагрузки поддерживается за счет эдс самоиндукции, при этом знак этой эдс меняется на обратную, что приводит к включению диода VD1. Таким образом, точка b схемы подключается к отрицательному зажиму источника питания, полярность напряжения на нагрузке меняется на обратную, и энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, сбрасывается в нижнюю половину источника питания. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы к моменту спада тока нагрузки до нуля, транзистор VT1 был включен, что обеспечивает повторение всех процессов с другой полярностью тока. Таким образом, особенностью полумостового варианта схемы является то, что накопление энергии в индуктивности

Мостовая схема.Мостовая схема инвертора напряжения применяется на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника питания. Сигналы управления X1…X4 поступают таким образом, что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.

Существует два алгоритма управления ключевыми элементами инвертора напряжения: симметричный и несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов. Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном управлении.

При подаче управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на интервале времени [t₃ ;t₄] ток протекает по контуру: “+” U₁ ; коллектор- эмиттер VT1; обмотка трансформатора (T) в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT4; “-“ U₁. На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи намагничивания трансформатора T, происходит плавное нарастание тока в первичной цепи по экспоненциальному закону.

На интервале [t₄; t₅] осуществляется рекуперация энергии в источник U₁ через обратные диоды по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD3; противоположное направление по отношению к U₁; VD2; “–“ E₁. Тока источника спадает до нуля.

В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора (U₂), другой ключ можно удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора на входной источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном алгоритме управления.

На интервале времени [t₀; t₂ ] за период работы второго и третьего ключей в цепи намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t₂; t₃] происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD1; коллектор- эммитер VT3; “-” E₁. Если на данном интервале ток I₁ не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой знак), то на интервале [t₃; t₄] энергия передается в источник по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD1; противоположное направление по отношению к U₁; VD4; “–“ E₁, при этом образуется “полочка” в форме напряжения U₂.

Регулируемые инверторы.

Автономные инверторы напряжения редко используются как самостоятельное преобразовательное устройство, а в большинстве случаев они являются структурным элементом некоторой преобразовательной системы или системы электроснабжения. В зависимости от назначения системы требования, предъявляемые к параметрам выходного напряжения, например, необходимость стабилизации или диапазон регулирования, точность поддержания заданной величины, степень несинусоидальности и т.п., могут быть достаточно разнообразными. Иногда методы формирования кривой выходного напряжения переплетаются со способом регулирования его величины, например, при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Так или иначе, в большинстве случаев при разработке преобразователя частоты на базе АИН стоит задача обеспечить возможность регулирования величины выходного напряжения

Биполярные транзисторы. Схемы включения биполярного транзистора. Основные пар-ры

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность - таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рисунок ниже). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том же рисунки. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная структура проводниковых диодов. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмитерным, а другой- коллекторным . Так же называются и p-n-переходы создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.

Принцип действия транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Как показано на рис.5, это три области – n-, р- и n. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)

К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

РИС:

а.) СОЭ; б) СОБ; в) СОК. ИС — источник сигнала, подаваемого на вход транзистора, Uвх, Uвых — входное и выходное напряжения сигнала, Uбэ, Uбк, Uкэ — напряжения между базой и эмиттером, базой коллектором, коллектором и эмиттером, iб,iэ,iк- токи базы, эмиттера и коллектора, E1, Е2 — источники питания, С1, С2, — конденсаторы большой емкости, сопротивление которых для переменного сигнала является малым и через которые коллектор по переменному току замкнут, являясь в схеме общим.