4. Биполярные транзисторы. Принцип действия транзистора. Основные характеристики.

Биполярные транзисторы – полупроводниковый прибор с 2-мя или несколькими p-nпереходами, взаимодействующие между собой и 3-мя или более выводами усилителя. Свойства транзисторов обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей.

Как правило, в усилительном режиме 1 из переходов транзистора смещается впрямом направлении, а 2-й в обратном.

Переход, смещенный в прямом направлении, называется эмиттерным переходом, а прилежащая к нему крайняя область слева называется эмиттер.

Переход, смещенный в обратном направлении, называется коллекторным переходом, а прилежащая к нему область, называется коллектор.

Средняя область – это база (рис. 1).

Однотипность наружних слоев транзисторов позволяет при включении менять имиттер и коллектор местами. Такое включение транзистора называется инверсным.

В зависимости от технологии изготовления транзистора, концентрация носителей в базе может быть распределена равномерно и неравномерно. При равномерном распределении носителей, внутреннее поле в базе отсутствует и носители, попавшие в базу, двигаются в случае диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными или бездрейфовые. При неравномерном распределении в ней имеется внутреннее электрическое поле и неосновные носители, попавшие в базу, двигаются в ней в результате дрейфа и диффузии, при этом дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называются дрейфовые.

Бездрейфовые транзисторы работают в режимах: 1)Активном (эмиттерный смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном), 2) Режиме насыщения (оба перехода в прямом направлении) 3)Инверсном (эмиттерный в обратном, коллекторный в прямом).

Экстракцией носителей называется выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными через электронно-дырочный переход с помощью внешнего электрического поля.

Уравнение Эберса: Iк=Iкбо*(e-1) (1)

Uкб меняет ширину базы из-за измерения размеров коллекторного перехода. Ток с увеличениемUкб,Wуменьшается следовательно, градиент концентрации неосновных носителей базы и ток эмиттера увеличивается. Кроме этого уменьшается вероятность рекомбинации носителей в базе и следовательно увеличивается коэффициэнт передачи эмиттерного тока (alfa). ВлияниеUкб на токIэ оценивают с помощью коэффициэнтов обратной связи по направлениюMкэ=dUэб/dUкб при токеIэ=const

Схема включения транзистора

Существуют 3 схемы включения транзистора в эл.цепи.

1. Схема включения с общей базой (ОБ) В этом случае база является общим выводом, т.е. входной сигнал подается между Э и Б, а выходной сигнал снимается между К и Б (рис.2)

Наиболее часто используются схемы включения с ОЭ и ОБ.

Вх.характеристики: Iб=f(Uэб) приUкэ=const

Вых.характеристики:Iк=f(Uкэ), Iб=const

Способы и схемы запирания тиристоров.

Чтобы закрыть тиристор (рис1):

1. спад прямого тока до нуля;

2. задержать приложение прямого напряжения на время, большее времени запирания тиристора.

Схема запирания тиристора.

Существуют естественная и искусственная коммутация.

1. Естественная коммутация

1. изм-е напряжния питающей системы.

2. Изм-е напряжения потребляющей среды

2. исусственная коммутация

2.1 прерывание тока тиристора другим отключающим устройством (рис2).

2.2 прерывание тока тиристора шунтированием (рис3).

2.3 создание накопителями энергии колебательного режима тока тиристора

2.3.1.-последовательный L-Cконтур (рис5)

2.3.2.-параллельный L-Cконтур (рис 6)

2.4 подключение к тиристору емкостного накопителя энергии (рис 7)

2.4.1.- следующим силовым тиристором

2.4.2.- вспомогательным силовым тиристором

2.5. Прерывание тока тиристора энергией импульса внешнего источника (рис 4)

Использ-ся в зависимых или ведомых сетью инверторах. Тиристор проводит IприUвх>Uвых.

При включении тиристора, конденсатор перезаряжается (рис6), а через полупериод собственной частоты Iколеб.коллектора изменяет полярность и замыкается через тиристор на встречу основному току нагрузки. Результирующий ток тиристора становится = 0 и он запирается. Время запирания и длительность приложенного напряжения тиристора определяется собственной частотой контураL-Cи параметрами нагрузки. Время открытого состояния тиристора задаютсяLиC.

5. Полевые транзисторы. Принцип действия. Основные характеристки. Полев.транзисторы - это полупроводниковые приборы, работа которых основана на изменении сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Истокомназывается электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале.Стокомназывают электрод, к которому движутся основные носители заряда. Электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение, называютзатвором. Напряжение управления, которое создает поле в проводящем канале прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора полевые транзисторы делятся на 2 группы: 1) тр-ры с изолированным затвором 2) тр-ры с управляющимp-n-переходом.

В тр-рах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от проводящего канала слоем диэлектрика. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют контакт с каналом. Полупроводниковый канал может быть обеднен или носителями зарядов или насыщен ими.

При обедненномканале эл.поле затвора повышает его проводимость. Такой канал называютиндуцированным. Если же канал обогащен, то он наз-сявстроенным. В этом случае эл.поле затвора приводит к обеднению канала носителя заряда.

Канал может быть с проводимостью nилиpтипа.

Структура таких тр-ров имеет вид:

1. стр-ра полев.тр-ра с изолированным затвором с индуцированным каналом p-типа.

2. Стр-ра со встроенным каналом p-типа

Структура тр-ров с управляющим p-n-переходом

Здесьn-слой является проводящим каналом и на сток подается положительное напряжение относительно истока. Проводящий канал заключен между двумяp-n-переходами, которые отделяют его от областей с проводимостьюp-типа. Эти области выполняют функцию единого электрода (затвора).

Принцип действия.

1)Тр-ры с управл.p-n-переходом.На затвор подается напряженияUз, которое смещает переход в обратном направлении. При измененииUз меняется толщинаp-n-перехода и следовательно меняется сечение канала, значит меняется эффективное сопротивление канала и соответственно тока в цепи. Если сток и исток заземлены (Uc=Uи=0), то сечение каналов на всем протяжении одинаково, т.к. обратное смещение переходов постоянно и равноUз. При достаточно большом отрицат.Uз объемный заряд в переходах займет весь канал. Такое напряжение называют напряжением отсечкиUзо. В рабочем состоянии между стоком и истоком прикладывается разность потенциалов +Uс и течет ток. Этот ток образует на сопротивлении материала канала падение напряжения, которое меняется от значенияU=0 возле истока до значенияU=Uс возле стока. В результате сечение канала по длине будет переменным. Толщина перехода от истока к стоку будет увелич-ся,а сечение канала уменьшаться.

ВАХ (выходные) Iс=f(Uс) приUз=constимеет вид:

1-участок ВАХ близок к линейному, при дальнейшем увеличении напряжения стока Uс зависимость приобретает нелинейный характер (участок 2). Начиная с некоторого момента времени дальнейшее увеличениеUс не приводит к увеличениюIс. Наступает так называемое насыщениеIс (участок 3).

Uсн=Uзо-Uз

Еще одной важной ВАХ явл-ся передаточная характеристика Ic=f(Uз)

Основными параметрами транзисторов с управляющим p-n-переходом явл-ся:

1. крутизна передаточной характеристики

S=dIc/dUз приUс=const

2. Дифференциальное сопротивление стока

r_диф =dUc/dIc приUз=const

3) Коэф-нт усиления

= - dUcи/dUзи ПриIc=const

все 3 параметра связаны между собой =Sr_диф

2)Тр-ры с изолированным затвором. Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и непосредственно на затвор и подложку.В тр-рах с индуцированным каналомпод влиянием образующегося эл.поля у поверхности полупроводника появляется каналp-типа за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника.Тр-ры с изолированным затвором обычно называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник).В тр-рах со встроенным каналомпод действием управляющего напряжения происходит расширение или сужение имеющегося канала.

Рассмотрим принцип действия тр-ров с индуцированным каналом.

При отсутствии смещения (Uзи=0,Uси=0,Uпи=0) приповерхностый слой полупроводника обогащен электронами. При подаче на затвор отрицательного напряженияUзи элекроны приповерх.слоя отталкиваются вглубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. В результате у поверхности полупр-ка образуется тонкий слой, имеющий дырочную проводимость. Этот слой соединяет сток и исток и играет роль канала. Теперь если между стоком и истоком приложить напряжение, то дырки, двигаясь по каналу, образуют ток стокаIс. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называютпороговым напряжениемUзипор. По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных (образовавшихся) дырок уменьшается и электропроводность становится собственной. Далее идет областьp-n-переходов, обедненная основными носителями зарядов. Благодаря этой области сток, исток и канал изолированы от подложки.

Изменять ширину p-n-перехода и канала можно путем подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Таким образом током стока можно управлять не только изменениемUз, но и за счет изменения на подложкеUп. В этом случае управление током аналогично управлению током в тр-ре с управляющемp-n-переходом.

Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны характеристикам тр-ров с управляющимp-n-переходом.

Участок 1 на ВАХ-линейная область, которая может быть использована при работе в качестве электрически управляемого сопротивления. Участок 3- область насыщения, используется при работе тр-ра в качестве усилительного элемента. Область 4- область пробоя, нерабочая.

9. Анализ электромагнитных процессов в инверторе тока. Векторная диаграмма ИТ.

Эквивалентная схема параллельного инвертора тока.

Ld=

По закону Кирхгофа:

Тогда:

(5)

При t=0Uc=-Uco, -Uco=Id*Rн+А (6)

Подставляя (6) в (5), получаем:

A=-(Uco+Id*Rн), находимUc:

,

при , .

Среднее значение напряжения на С должно быть равно Ud.

,

после интегрирования получим:, где

В – коэффициент нагрузки.

Допустим Uco=Uн, то:.

Определим угол :

, тогда.

Векторная диаграмма ИТ:

11. Резонансные инверторы параллельный резонансный инвертор.

Автономные резонансные инверторы.

Резонансные инверторы- это инверторы, в которых благодаря применению последовательного резонансного контура ток управляемого вентиля в течении всего интервала проводимости изменяется по колебательному закону.

Резонансные инверторы, как правило, применяют на частотах 1кГц и выше. Параметры элементов подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебательного контура превышала частоту управления, то есть чтобы обеспечивался режим естественного выключения вентилем.

Скорость нарастания тока при этом оказывается небольшой. Время, предоставляемое на восстановление, может увеличиваться за счёт удлинения пауз между импульсами тока управляемых вентилей.

>.

Резонансные инверторы можно классифицировать по разным признакам:

1. по количеству вентильных, конденсаторных ячеек (одно и многоячейковые)

2. по схемам соединения тиристоров (мостовая, полумостовая, нулевая, симметричная).

3. по наличию или отсутствию в ячейке диода встречного тока.

4. по схеме соединения ячеек между собой.

5. по способу присоединения нагрузки.

6. по режиму работы источника питания (генератор ЭДС или генератор тока). Генератор ЭДС- инвертор с открытым входом; генератор тока- инвертор с закрытым входом.

инвертор с открытым входом

очень большая.

инвертор с закрытым входом.

очень большая.

В этом случае ток от блока питания непрерывен и инвертор с закрытым входом, так как ток от нагрузки не может пройти.

Параллельный резонансный инвертор.

рисунок 1.

12. Последовательный резонансный инвертор со встречно – параллельными диодами и удвоением частоты.

Автономный преобразователь частоты с резонансными инверторами – АИР. В последовательных АИР нагрузка включается последовательно с резонансной цепочкой LC, которая обеспечивает коммутацию тока вентилей. Одним из недостатков последовательных АИР является зависимость величины напряжения на тиристорах от сопротивления нагрузки. Эта проблема решается включением в схему обратных диодов, включенных встречно-параллельно с тиристорами. Это позволило избежать существенных колебаний величины напряжения на вентилях при переменной нагрузке, благодаря автоматическому возврату излишней реактивной мощности, запасаемой в коммутирующих конденсаторах. Широкое применение нашли последовательные АИР со встречными диодами и удвоением частоты. В них через нагрузку протекает ток, который имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой работы тиристоров. Они обладают рядом преимуществ: высокий КПД; сравнительное постоянство напряжения на тиристорах при широких изменениях величины; близкую к синусоидальной форму тока и напряжения на нагрузке; большее время, предоставляемое на восстановление управляемости.

Инвертор в общем случае состоит из тиристоров Т1-Т4, встречных диодов Д1-Д4, коммутирующего конденсатора Ск, разделительного конденсатора Ср и нагрузки Rн. Питание инвертора осуществляется от выпрямителя через входную индуктивностьLд.

Рис.1

Наличие обратного напряжения на тиристоре способствует уменьшению времени восстановления его свойств, т.к. помогает быстрому рассасыванию неосновных носителей заряда. Назначение элементов:Ср – разделение переменной и постоянной составляющей нагрузки;Lз_для снижения скорости нарастания тока через тиристоры; цепочка Ск-Lк – для обеспечения коммутации тиристоров (переход с Т1,3 на Т2,4);Zн – нагрузка;Lд – входной дроссель.

Рис.2

При включении тиристоров Т1, Т3 происходит колебательный процесс заряда конденсатора Ск, ток в нагрузке протекает снизу вверх. Емкость Ск заряжается до напряжения выше, чем Ud. Ток тиристоров проходит через ноль, они гаснут. Начинается разряд емкости в нагрузку. Ток в нагрузке протекает сверху вниз. Во время работы диодов Д1,Д3 на тиристорах Т1,Т3 имеется обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диодах. Т1,Т3 восстанавливают свою проводимость. Затем включаются Т2,Т4, емкость Ск перезаряжается на другую полярность. Ток через нагрузку меняет свое направление (течет снизу вверх). После погасания Т2,Т4 включаются диоды Д2,Д4 и ток через нагрузку вновь меняет направление. Т.о. в течении полного цикла работы всех вентилей инвертора на выходе получаем 2 полных периода переменного напряжения. Ток нагрузки формируется из тока тиристора, диода и входного токаId, но постоянной составляющей не содержит, т.к. Ср ее не пропускает.

Область примененияавтономного преобразователя с АИР - установки повышенной частоты. Широко используются ряде технологических процессов: для закалки, нагрева, ультразвуковой обработки, сварки, пайки и очистки металлов. Другие области применения: гидролокационная техника, синтез озона, активизация химически неактивных материалов.

13. Анализ электромагнитных процессов в последовательном резонансном инверторе со встречно-параллельными диодами.

Автономным последовательным резонансным инвертором называется статический преобразователь постоянного тока в переменный, отдающий энергию нагрузке, не имеющей других источников питания, в котором благодаря применению последовательного резонансного L-Cконтура, ток управляемого вентиля в течении всего интервала проводимости изменяется во времени по колебательному закону.

Одним из недостатков последовательных резонансных инверторов является зависимость величины напряжения на тиристорах от сопротивления нагрузки. Эта проблема решается включением в схему обратных диодов, включенных встречно-параллельно с тиристорами.

Инвертор в общем случае состоит из тиристоров Т1-Т4, встречных диодов Д1-Д4, коммутирующего конденсатора Ск, разделительного конденсатора Ср и нагрузкиZн. Питание инвертора осуществляется от выпрямителя через входную индуктивностьLd.

Анализ электромагнитных процессов в данной схеме является сложной задачей, в которую входит определение его характеристик при начальных параметрах нагрузки, оптимизация остальных параметров инвертора, определение характеристик при регулировании.

Основные величины, которые подлежат определению во всех инверторах, представляют собой:

tвосст – время, предоставляемое на восстановление управляемости вентилей;

Pd– входная мощность инвертора;

Id– среднее значение тока, протекающего через вентиль за полный цикл работы;

Iв – действительное значение тока через вентиль;

dip/dt– начальная крутизна нарастания тока через управляющий вентиль;

diк/dt– конечная скорость нарастания тока через вентиль;

Iн – ток нагрузки;

Uн – напряжение нагрузки;

Umax– амплитудаUпр иUобр на вентилях;

dU/dt–maxкрутизна нарастанияUпр на вентилях;

Uсm– амплитуда напряжения на коммутирующих вентилях (конденсаторах).

Все параметры, влияющие на режим работы, можно разделить на группы:

1) Постоянные параметры, которые не изменяются в процессе работы (параметры коммутирующей индуктивности, конденсаторов, трансформаторов и др.)

2) Переменные регулировочные параметры, которые изменяются произвольно (параметры нагрузки Rн,Lн,Cн)

3) Переменные регулировочные параметры, которые изменяются по определенным законам (частота регулирования, частота выходных импульсов и др.)

Проведем анализ э/м процессов в инверторе при допущении, что индуктивность Ldи емкостьCpдостаточно велики и что можно пренебречь переменной составляющей тока инвертора, протекающего черезLd, и переменной составляющей напряжения на конденсаторе Сp.

На основании анализа получим следующие зависимости различных параметров инвертора от затухания.

Зависимость Uт min b Uт max от затухания d и коэффициента Kι

Для правильной работы инвертора необходимо, чтобы Kιбыл не ниже некоторого критического значения во избежание появления внутренней циркуляции токов между реактивными элементами инвертора и перегрузки тиристоров. Практически при номинальном затухании последовательного колебательного контураd=0.8 приходится пользоваться значениемKι>=0.7.

Uт – напряжение на тиристоре;

d– затухание колебательного контура (нагрузки);d=Rн/ρ;

ρ –волновое сопротивление;

Kι– коэффициент распределения индуктивности колебательного контура в схеме;

Lз – защитная индуктивность;

Lo– полная индуктивность колебательного контура;

Kι=Lк/Lo;ρ=√Lo/Cк ;Lo=Lк+Lз

Зависимости различных параметров инвертора от затухания

Iт – относительная величина максимального тока через тиристоры;

Iд - относительная величина максимального тока через встречные диоды;

Iн – ток нагрузки;

Uн – напряжение на нагрузке.

Полученные результаты можно использовать для расчета различных схем инверторов данного типа при любой мощности и частоте инвертирования.

14 Однофазные неуправляемые выпрямители. Принцип действия. Основные характеристики.

В маломощных источниках питания обычно используют однофазные выпрямители.

Однофазные выпрямители: диод, трансформатор, нагрузка.

1) На рисунке 14 представлена схема простейшего однофазного выпрямителя. На рисунке 14.1 – осциллограммы токов и напряжения.

В таком выпрямителе ток ч/з нагрузку протекает лишь в течение полупериода. Он находит ограниченное применение в маломощных устройствах, т.к. отрицательная черта этого выпрямителя – протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Параметры:

Среднее значение выходного напряжения Uср = (2)Uвх

Действующее значение входного напряжения Uвх = 2.22Uср.

Среднее значение выходного тока Iср. =Uср. /Rн

Максимальное обратное напряжение Uобр.макс =2Uвх

Коэффициент пульсаций выходного напряжения = 1.57

2) На рисунке 14.3 схема однатактного выпрямителя, на 14.4 осциллограммы этой схемы. Однотактным называется выпрямитель, в котором однофазный ток во вторичной обмотке трансформатора способен течь лишь в одном направлении. В таком выпрямителе вторичная обмотка трансформатора должна иметь нулевой вывод и такие схемы называются схемами с нулевым выводом. Параметры:

Uобр.m=E2лm

Uобр.m = 22 E2

Uобр.m = Ed

Ia = Id / 2

3) На рисунке 14.5 схема двухтактного мостового выпрямителя, на 14.6 – ее осциллограммы. Двухтактный – выпрямитель, в котором фазный ток во вторичной обмотке трансформатора течет в обоих направлениях. Параметры:

Обратное напряжение Uобр.m=E2m=2E2 = (/ 2)Ed

15 Трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель. Принцип действия. Основные характеристики.

Схема приведена на рисунке 15 (схема Ларионова). Используемые в этой схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя. Он характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал ( = 0.057), а частота пульсаций в 6 раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.

18 Структурные схемы управления, регулирование и защита в преобразователях частоты. Основные требования к СУРЗ.Структурная схема упр. регулирования и защиты преобразователя частоты. Основные требования к СУРЗ.

Основные требования к СУРЗ:

• формирование импульсов управления тиристорами инвертора и выпрямителя

• регулирование электрического режима преобразователя и поддержание необходимых технологических параметров

• защита преобразователя при авариях

• обеспечение надежного пуска

Рассмотрим схему на рисунке 18.:

СЗ- система защиты

Н(z) – нагрузка

В – выпрямитель

И – инвертор

СУИ – система управления инверторами

СУВ – система управления выпрямителем

СУ = СУИ + СУВ

2 вида инверторов:

• с самовозбуждением

• с внешним возбуждения

Задача СУ полупроводного преобразователя частоты – выработка и перемещение во времени ряда импульсов с целью регулирования параметров преобразователя . СУ в зависимости от метода обработки информации может быть выполнена аналоговой или цифровой. Независимо от принципа управления СУ сами тиристоры являются дискретными и в процессе работы включаются через определенные интервалы времени, в течение которых обратная связь в цепи регулирования разомкнута.

16.Понятие реактивности мощности. Способы повышения коэффициента мощности в электротехнологических установках.

Реактивной мощностью называют процесс обмена энергией между источником энергии и совокупностью индуктивных и емкостных элементов устройства. Обозначается буквойQ, Единица измеренияQ=[1 Вар]. В общем случае вычисляется по формуле:Q=S*sin,гдеS– полная мощность, а- угол сдвига фаз между напряжением и током. Отметим, чтоcos=называется коэффициентом мощности и в общем случае определяется по этой формуле.

Многие устройства переменного тока имеют сильные поля. У таких устройств большой положительный , что ухудшает их коэф-т мощности, и коэф-т мощности промышленного предприятия в целом. Низкое значениеприводит к неполному использованию оборудования, которое бесполезно загружается реактивным током, что также обусловливает увеличение потерь эл. энергии.

Для увеличения , необходимо включить параллельно приемнику со значительной реактивной составляющей тока батарею конденсаторов, реактивный ток которых компенсирует реактивный ток приемника. Представим приемника в виде эквивалентной схемы замещения пассивного двухполюсника. Компенсация реакт. тока приемникаI_р.н.при помощи конденсатора показана на рисунке.

Как мы видим, коэф-т мощности увеличился: coscos_н.

Такой способ увеличения  называется искусственным улучшением в отличие от естественного улучшения, которое заключается в использовании устройств с очень малым реактивным током.