Назначение и принцип работы транзистора

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) — трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.) . В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.) , где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник) -транзисторах (МОПТ) , как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем памяти, процессора, логики и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции) , в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура) . Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров. Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП-транзисторов.

Классификация транзисторов
Кремниевые
Арсенид-галлиевые
Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
Специальные типы транзисторов
Комбинированные транзисторы
Однопереходные транзисторы
Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа
По типу используемого полупроводника транзисторы классифицируются на кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

По мощности различают маломощные транзисторы (рассеиваемая мощность измеряется в мВт) , транзисторы средней мощности (от 0,1 до 1 Вт рассеиваемой мощности) и мощные транзисторы (больше 1 Вт) . На фотографии мощность транзисторов возрастает слева направо.

По исполнению различают дискретные транзисторы (корпусные и бескорпусные) и транзисторы в составе интегральных схем

Выпрямительные устройства

Параметры и схемы выпрямителей

Выпрямитель - статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии (сети) в постоянный. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 1). Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока. Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя. Рис. 1. Структурная схема выпрямителя Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются: · средние значения выпрямленного (выходного) напряженияUср и тока Iср, · частота пульсаций fп выходного напряжения (тока), · коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению, · внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока, · к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф - мощность потреь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре. Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей - нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении. В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным. Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам, к которым относятся: · наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх - предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупернодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения), · наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх - обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя, · прямое падение напряжения Uпр - среднее значение прямого напряжения в однополупернодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе. · обратный ток Iобр - значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения, · максимальная мощность Рmах - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем. Выпрямительное устройство (выпрямитель) – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное. Выпрямительные устройства используются как самостоятельно, так и в составе инверторов, преобразователей постоянного напряжения в постоянное и стабилизаторов как основной функциональный элемент (рис. 1.1). Рисунок 1.1 – Структурная схема выпрямителя Выпрямительное устройство ВУ состоит из трех основных функциональных элементов. Трансформатор Тр предназначен для преобразования величины напряжения UС источника первичного питания ИПЭ до значения U2, необходимого для получения среднего выпрямленного напряжения U0 в цепи нагрузки Н, преобразования числа фаз переменного напряжения и обеспечения электрической (гальванической) развязки нагрузки Н от первичного источника ИПЭ. Блок выпрямления – блок полупроводниковых приборов В – предназначен для преобразования рода тока (из переменного в постоянный пульсирующий) и для преобразования числа фаз m выпрямления:   (1.1) где p – число фазных обмоток вторичной цепи трансформатора Тр; – количество импульсов тока, проходящих по одной фазной обмотке за один период преобразуемого напряжения. Сглаживающий фильтр Ф уменьшает содержание переменных составляющих в спектре выходного напряжения. Он предназначен для уменьшения (сглаживания) пульсаций выпрямленного напряжения или тока до величины, допустимой для нормальной работы потребителя. Основным элементом, с помощью которого происходит преобразование переменного напряжения (тока) в постоянное (постоянный), является электрический вентиль. Под электрическим вентилем понимается функциональный элемент, обладающий свойством односторонней проводимости вследствие способности скачкообразно изменять величину сопротивления протеканию электрического тока в зависимости от знака приложенного напряжения. Основным функциональным элементом современных полупроводниковых выпрямительных устройств является полупроводниковый вентиль с односторонней проводимостью p-n перехода. В реальных условиях режимы работы всех элементов устройств выпрямления взаимосвязаны. Процессы, протекающие в различных частях схемы выпрямления, зависят от характера нагрузки, падения напряжения в трансформаторе, вентилях, в элементах сглаживающего фильтра. На практике выпрямители могут работать на активную нагрузку, когда она некритична к уровню переменной составляющей выпрямленного напряжения. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения между блоком вентилей и нагрузкой включаются сглаживающие фильтры, содержащие индуктивности и емкости. В ряде случаев и сама нагрузка содержит элементы с индуктивностью, емкостью и внешней э. д. с.. Индуктивный и емкостный характер нагрузки выпрямителя меняет режим работы вентиля и схемы в целом по сравнению с работой на активный характер нагрузки, оказывает существенное влияние на работу схемы выпрямителя. Изменение характера нагрузки приводит к изменению величины и формы выпрямленного напряжения (и тока), токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Дросселя и трансформаторы

Дроссель электрический

Дроссель — принадлежность многих электротехнических приборов и радиоустройств (выпрямителей, радиоприемников, радиопередатчиков); он служит для регулирования силы тока, для того чтобы разделять или ограничивать электрические сигналы различной частоты, устранять пульсации постоянного тока. Его название происходит от немецкого слова «дроссели»—«сокращать». Дроссель — это та же катушка индуктивности, свойства которой зависят от того, какой частоты электрический ток нужно «сократить», «задержать»— низкой или высокой. В электротехнике и радиотехнике используют переменные токи с частотой (т. е. количеством колебаний в секунду) от нескольких до сотен миллиардов герц (Гц). Весь огромный диапазон переменных токов принято условно подразделять на несколько участков. Токи сравнительно небольших частот в пределах от 20 Гц до 20 кГц называют токами низкой, или з в у к о в о й, частот ы, так как они соответствуют частотам звуковых колебаний; переменные токи с частотой от 20 до 100 кГц — токами ультразвуковой частоты, а токи с частотой от 100 кГц и больше — токами высокой частоты. Дроссель низкой частоты похож на электрический трансформатор с одной обмоткой. Обмотка дросселя, содержащая много витков изолированного провода, располагается на собранном из стальных пластин сердечнике и имеет большую индуктивность. Такой дроссель оказывает сильное противодействие всяким изменениям тока, протекающего через обмотку: препятствует его нарастанию и, наоборот, поддерживает убывающий ток. Существуют и дроссели высокой частоты. Их применяют для работы в электрических цепях, где проходят токи высокой частоты. Высокочастотные дроссели делают в виде однослойных или многослойных катушек, часто без сердечника. Они обладают большим сопротивлением для токов высокой частоты и пропускают токи низкой частоты.   Трансформатор   Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что относительно легко можно изменять его силу. Аппараты, преобразующие переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, называются электрическими трансформаторами (от латинского слова «трансформо»—«преобразую»). Изобрел трансформатор русский электротехник П. Н. Яблочков в 1876 г. Трансформатор состоит из нескольких катушек (обмоток), намотанных на каркас изолированным проводом, которые размещают на сердечнике из тонких пластин специальной стали (см. рис.). Переменный электрический ток, текущий по одной из обмоток, называемой первичной, создает вокруг нее и в сердечнике переменное магнитное поле, пересекающее витки другой — вторичной — обмотки трансформатора, возбуждая в ней переменную электродвижущую силу. Достаточно к выводам вторичной обмотки подключить лампу накаливания, как в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток. Таким образом электрическая энергия передается из одной обмотки трансформатора в другую без непосредственного их соединения, существуют и трансформаторы-карлики, работающие в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, телефонных аппаратах (см. Телефонная связь). С помощью таких трансформаторов получают несколько напряжений, питающих разные цепи устройства, производят эстафетную передачу сигналов от одной электрической цепи в другую, от каскада к каскаду, разделяют электрические цепи.   Если обе обмотки имеют равное число витков, то во вторичной обмотке наведется такое же напряжение, какое подводится к первичной. Например, если подать на первичную обмотку трансформатора переменный ток напряжением 220 В, то и во вторичной обмотке тоже возникнет ток напряжением 220 В. Если обмотки разные — тогда и напряжение во вторичной обмотке не будет равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку. В повышающем трансформаторе, т. е. в трансформаторе, повышающем напряжение электрического тока, вторичная обмотка содержит витков больше, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше, чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше. Трансформаторы находят широкое применение в промышленности и быту. Силовые электрические трансформаторы дают возможность передавать переменный ток по линиям электропередачи на большое расстояние с малыми потерями энергии. Для этого напряжение переменного тока, вырабатываемого генераторами электростанции, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и посылают по линиям электропередачи в различных направлениях. В месте потребления энергии, на расстоянии многих километров от электростанции, это напряжение понижают трансформаторами. Во время работы мощные трансформаторы сильно нагреваются. Чтобы уменьшить нагрев сердечника и обмоток, трансформаторы помещают в специальные баки с минеральным маслом. Электрический трансформатор, оборудованный такой системой охлаждения, имеет весьма внушительные размеры: его высота достигает нескольких метров, а масса составляет сотни тонн.

Трансформаторы

Трансформатор – это устройство, служащее для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты и практически без потерь мощности. Трансформатор состоит из двух или более катушек, надетых на общий сердечник. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а катушка, к которой присоединяется нагрузка (потребители электрической энергии), - вторичной (рис. 3.22). Сердечники трансформаторов изготавливаются из электротехнической стали и набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин (для уменьшения потерь энергии вследствие возникновения в сердечнике вихревых токов) – рисунок 3.23.

Катушки трансформатора, как правило, содержат разное количество витков, причем большее напряжение оказывается приложено к катушке с большим числом витков. Если трансформатор используется для повышения напряжения, то обмотка с меньшим числом витков подключается к источнику напряжения, а к обмотке с большим числом витков присоединяется нагрузка. Для понижения напряжения все делается наоборот. При этом не следует забывать, что подавать на первичную обмотку можно напряжение не больше номинального (того, на которое она рассчитана).