4.4 Контрольные вопросы
4.4.1 Как устроен трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором?
4.4.2 Как определить «начало» и «конец» фазы обмоток статора асинхронного двигателя при отсутствии на них маркировки?
4.4.3 От чего зависит частота вращения магнитного поля статора двигателя?
4.4.4 Почему сердечник статора и ротора набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга?
4.4.5 Будет ли работать двигатель при обрыве одной фазы?
4.4.6 На какую мощность можно нагрузить трёхфазный двигатель при работе в однофазном режиме?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
5.1 Цель работы
Целью работы является: получение навыков в снятии вольт-амперных характеристик (ВАХ) 3-хполюсников (транзисторов), изображение их в виде семейств кривых и использования их для расчета основных параметров транзисторов.
5.2 Теоретическая часть
5.2.1 Основные сведения о транзисторах
Транзистор [от англ. tran(sformer)(re)sistor – трансформируемый (преобразуемый) резистор] – 3-хэлектродный полупроводниковый элемент, в котором выходной ток регулируется входным током (биполярные транзисторы) или входным напряжением (полевые транзисторы).
Транзисторы – активные полупроводниковые элементы (т.е. обладающие способностью усиления сигналов). Применяются в электрической и электронной аппаратуре для усиления и генерации сигналов, регулирования токов и напряжений, в качестве ключевых элементов и т.д.
Транзисторы были изобретены в середине XX века: 1946-48 гг. – полевой транзистор, 1948-49 гг. – биполярный. В последнее десятилетие XX века появились новые типы транзисторов – IGBT, SIT и др. Большинство интегральных микросхем (ИМС), в основном построены, как совокупность большого числа транзисторов (от десятков – до миллионов штук в одной микросхеме). В качестве дискретных элементов – наибольшее распространение получили биполярные транзисторы. Значительная часть ИМС (особенно – цифровых) построена на полевых транзисторах.
5.2.2 Устройство и принцип действия полевого транзистора
Полевой транзистор (ПТ) полностью соответствует своему англоязычному названию – tran(sformer)(re)sistor. В самом общем виде его устройство показано на рисунке 7 В основе лежит кристалл полупроводника с проводимостью n- или p-типа. К двум граням этого кристалла через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединены внешние выводы, называемые исток и сток. На поперечные грани кристалла нанесен слой диэлектрика и металлические пластины, к которым, в свою очередь, подключены электроды, называемые затвор и подложка (этот электрод часто не выведен наружу, а соединен с истоком). ПТ часто называют униполярным, так как в процессе протекания электрического тока (между истоком и стоком) участвуют носители электричества только одного знака — электроны или дырки.
Рисунок 5.1 Структура полевого транзистора
Основные физические процессы. Приведенное здесь описание дает только самое общее представление о реальных физических процессах в ПТ. Конструктивные особенности реальных ПТ обуславливают довольно большое разнообразие картины протекания токов в транзисторе, но качественно они не выходят за рамки приведенного ниже описания.
При отсутствии напряжения на затворе (Uзи=0), ток между стоком и истоком протекает под воздействием «продольное» электрического поля, созданного напряжением Uси. При этом траектория движения электронов прямолинейна – канал имеет одинаковое сечение по всей длине. При подаче на затвор напряжения отличного от нуля в кристалле возникает «поперечное» электрическое поле, которое, складываясь с «продольным» изгибает силовые линии в ту или иную сторону, соответственно изменяя сечение канала. Изменение сечения канала приводит к изменению его сопротивления – т.е. сопротивлению между истоком и стоком. В случае сужения канала его сопротивление растет, и при достаточной напряженности «поперечного» поля канал полностью «разрывается» (сопротивление становится бесконечным).
Таким образом, изменяя напряжение Uзи можно управлять сопротивлением исток-сток, а значит и величиной тока Iс. Основное свойство транзистора – способность к усилению сигнала базируется именно на этой зависимости, которая приблизительно описывается формулой:
Iс = SUзи.
где S – крутизна сток-затворной характеристики ПТ, показывающая – насколько изменится ток Iс стока при увеличении Uзи на 1 В. Размерность данного коэффициента [A/B].
Таким образом, если изменять величину Uзи во времени, то ток Iс будет изменяться пропорционально, повторяя форму временной диаграммы Uзи(t). При этом, поскольку Iз = 0 (ток не течет через диэлектрик) мощность, затрачиваемая на управление так же будет нулевой. В то же время, ток Iс совершает в выходной цепи полезную работу. В этом и заключается эффект усиления полевого транзистора – выходной ток Iс и мощность, рассеиваемая на нагрузке управляется входным напряжением Uзи без затрат мощности на управление.
5.2.3 Устройство и принцип действия биполярного транзистора
Биполярный транзистор (БТ) в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки.
Средний слой и соответствующий вывод БТ называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.
Схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n приведено на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 Структура биполярного транзистора
Транзистор типа p-n-p устроен аналогично – разница лишь в ином типе проводимости соответствующих областей (эмиттера, базы и коллектора).
Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.
У реальных БТ площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая асимметрия значительно улучшает свойства транзистора.
Количественное своеобразие структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора лежат те же физические процессы, что и в полупроводниковом диоде. Своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.
Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.
Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее. С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный – в обратном направлении. Тогда через эмиттерный переход потечет ток Iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительна из-за указанного выше различия в концентрации атомов примесей.
Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы Iб. Таким образом – Iб << Iэ. Обратное смещение коллекторного перехода способствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. Таким образом, ток коллектора Iк лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. Iк ≈ Iэ.
Основное свойство транзистора – способность к усилению сигнала базируется на существовании зависимости токов Iк и Iэ от Iб. Данная зависимость приблизительно описывается формулами:
Iк = βст Iб,
Iэ = (βст+1) Iб,
где βст – статический коэффициент передачи тока базы (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает постоянные токи).
Типичное значение для современных транзисторов – β ≈ 100-:-300.
Таким образом, если изменять величину тока Iб во времени, то токи Iк и Iэ будут изменяться пропорционально, повторяя форму временной диаграммы Iб(t), но при этом, их величины будут в сотни раз большими. В этом и заключается эффект усиления биполярного транзистора – большой выходной ток Iк (Iэ) управляется малым входным током Iб.
5.2.4 Основные характеристики и параметры биполярных и полевых транзисторов
Наиболее полное представление о свойствах транзистора дают его вольт-амперные характеристики (ВАХ). Поскольку транзистор – 3-х электродный элемент – потенциально существует множество его ВАХ. Принято использовать ВАХ, снятые для определенных схем включения транзистора. Понятие схемы включения в данном случае означает, что один из электродов транзистора используется в качестве входного (на него подается входной сигнал), другой – в качестве выходного (с него снимается выходной сигнал), а третий – в качестве общего для входа и выхода. По названию общего электрода называют схему включения.
Для БТ используют следующие схемы включения:
- схема с общей базой (ОБ);
- схема с общим эмиттером (ОЭ);
- схема с общим коллектором (ОК).
Для ПТ используют следующие схемы включения:
- схема с общим затвором (ОЗ);
- схема с общим истоком (ОИ);
- схема с общим стоком (ОС).
Для каждой схемы включения транзистора потенциально можно снять 4 типа ВАХ:
- входные ВАХ – Iвх = F(Uвх)| Uвых = const или Iвых = const;
- выходные ВАХ – Iвых = F(Uвых)| Uвх = const или Iвх = const;
- переходные ВАХ – Iвых = F(Uвх)| Uвых = const или Iвх = const;
- обратные ВАХ – Iвх = F(Uвых)| Uвх = const или Iвых = const;
Примечание. Т.к. каждый тип ВАХ показывает зависимость только одного тока от одного напряжения – один из 2-х оставшихся параметров (ток или напряжение) фиксируют на определенном уровне, а другому позволяют свободно изменяться. Например, для входной ВАХ исследуют зависимость Iвх от Uвх при Uвых = const1. Так получают одну ВАХ (одну линию на графике). Затем изменяют величину Uвых = const2 и вновь снимают ВАХ (вторую линию на графике) и т.д. В итоге получают семейство ВАХ.
На практике используются далеко не все типы ВАХ, а лишь те, которые несут максимум информации о свойствах транзистора.
Для БТ основными являются входные и выходные ВАХ. Например – для схемы ОЭ – это Iб = F(Uбэ)| Uкэ=const и Iк = F(Uкэ)| Iб=const - типичный вид этих ВАХ приведен на рисунке 5.3. Наиболее используемые на практике – выходные ВАХ.
а) б)
Рисунок 5.3 Типовые ВАХ БТ, включенного по схеме ОЭ: а) входные, б) выходные.
Для ПТ основными являются выходные и переходные ВАХ. Например – для схемы ОИ – это Iс = F(Uси)| Uзи=const и Iс = F(Uзи)| Uси=const . Наибольшее использование имеет переходная ВАХ – ее типичный вид приведен на рисунке 5.4
Рисунок 5.4 Типовые переходные ВАХ ПТ, включенного по схеме ОИ