ответы_фоэ_наше

Силовые транзисторы (типы силовых транзисторов их основные особенности, структура IGBT- транзистора, его ВАХ, статические и динамические параметры).(билеты № 1;6;12;18;24)

По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов: биполярные транзисторы; полевые транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП); полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или транзисторы со статической индукцией (СИТ); биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT).

• МДП-транзистор имеет наилучшие динамические свойства. Он обладает неоспоримыми преимуществами при повышенной (более 100 кГц) частоте коммутации (так как другие приборы практически неспособны работать на такой частоте). Другими характерными преимуществами. МДП-транзистора являются высокая теплостойкость и простота формирования сигналов управления.

• IGBT обладает хорошими динамическими свойствами (частота коммутации до 100 кГц).Высоковольтный IGBT имеет менышее напряжение в открытом состоянии в сравнении с соответствующим МДП-транзистором. IGBT обладает высокой теплостойкостью. Для него несложно сформировать управляющие сигналы.

• Биполярный транзистор характеризуется малым напряжением в открытом состоянии. Однако его динамические свойства невысоки (частота коммутации до 10 кГц).

• SIT в некоторых случаях имеет менышее напряжение в открытом состоянии в сравнении даже с биполярным транзистором.

В IGBT совмещены два способа упр-я эл.током, один из к-ых характерен для полевых транзисторов(упр-е эл. полем), а второй – для биполярных(управление инжекцией носителей эл-ва).

Эти транзисторы сочетают в себе, по сути, два транзистора в одной полупроводниковой структуре. Первый, это биполярный (силовой канал), а второй – полевой (канал управления).

Схема эквивалентного включения двух таких транзисторов показана на рисунке.

Транзистор включен в силовую цепь выводами биполярного транзистора E--эмиттер и C-коллектор. Цепь управления включается выводом G-затвор.

Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база) и p (коллектор). Полевой образуется слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. Включение БТИЗ (IGBT) условно можно разделить на два этапа: 1. Подача положительного напряжения между затвором и истоком приводит к открытию полевого транзистора (формируется n–канал между истоком и стоком). 2. Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.

Его входные характеристики Iк=f(Uзэ) при Uкэ=const (нету и хызы,что там по осям) подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного Ik=f(Uкэ) при Uзэ=const

Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах, описывают свойства тиристоров в одном из статических состояний: высокой проводимости или низкой проводимости.

Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора/

Область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III - режим насыщения

Двухполупериодные выпрямители, мостовая схема и схема с нулевой точкой (работа на активную нагрузку, работа с ёмкостным фильтром).(билеты №1;7;16;21)

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки.

Достоинствами данной схемы является то, что она имеет лучший коэффициент использования вентилей по току, меньшую расчётную мощность трансформатора, меньший коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. -К недостаткам схемы следует отнести: высокое обратное напряжение, прикладываемое к выпрямительным диодам, усложнённая конструкция трансформатора.

Диоды в двухполупериодном выпрямителе проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода. Во втором полупериоде (когда к диоду приложено обратно смещающее напряжение) диод закрыт. В то же время в нагрузке ток течет в каждом полупериоде, причем в одном направлении.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема двухполупериодного мостового выпрямителя .Диоды в такой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды VD1 и VD3, а вторая – VD2 и VD4. В течение положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора (на выводе, обозначенном буквой А – «+», а на выводе, обозначенном буквой В – «–») диоды VD1 и VD3 открыты, а диоды VD2 и VD4 закрыты.

Ток течет через нагрузку в направлении, показанном на рисунке 4.7 стрелкой. В течение отрицательного полупериода открыты диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 и VD3 закрыты. Но ток через нагрузку течет в том же направлении. Поэтому в мостовом выпрямителе, как и в рассмотренном ранее двухполупериодном выпрямителе, входное синусоидальное напряжение преобразуется в пульсирующее однополярное (рисунок 4.6).

Все основные показатели двухполупериодного мостового выпрямителя (Uср, Iср, Kп) такие же, как и рассмотренного ранее двухполупериодного выпрямителя. Однако при этом число витков во вторичной обмотке трансформатора и напряжение на закрытых диодах Uд обр макс в два раза меньше.

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителей, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет ряд преимуществ перед схемой со средней точкой:

а) вдвое меньшее требуемое напряжение на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения;

б) вдвое меньшее напряжение на закрытом диоде;

в) меньшие габариты и вес.

К недостаткам мостовой схемы можно отнести большее в два раза число используемых диодов.

Для питания постоянным напряжением большинства устройств электроники коэффициент пульсаций не должен превышать 0,1. Ни одна из рассмотренных схем выпрямителей не обеспечивает такого коэффициента пульсаций. Поэтому для уменьшения пульсаций используют сглаживающий фильтр, который включают между выпрямителем и нагрузкой. Назначение сглаживающего фильтра – выделить из выпрямленного напряжения постоянную составляющую и подавить высшие гармоники. В используемых на практике схемах фильтров коэффициент пульсаций напряжения на выходе может составлять 0,001 .... 0,00003.

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Условия, создающиеся в выпрямителе с нулевым отводом и мостовом выпрямителе при их работе с таким фильтром во многом аналогичны. Поэтому особенности работы выпрямителя с емкостным фильтром рассматриваются на примере схемы с нулевым отводом, приведенной на рис. 6.8.

Сглаживающее действие емкостного фильтра на выпрямленное напряжение определяется процессами заряда и разряда конденсатора  , которые иллюстрирует рис. 6.9. На этом же рисунке пунктиром показаны временные зависимости напряжения на выходе выпрямителя при его работе на активную нагрузку. Оно же приложено к анодам соответствующих диодов. При наличии емкостного фильтра катоды диодов находятся под напряжением на конденсаторе 

.Последнее обстоятельство изменяет значения фаз  , при которых диоды переходят из одного состояния в другое.

 При открытии одного из диодов, например Д1, происходит заряд конденсатора. Вследствие малой величины сопротивления открытого диода, а также достаточно большого сопротивления нагрузки  можно считать, что изменение напряжения на конденсаторе при его заряде практически будет повторять напряжение, подаваемого на анод открытого диода, то есть совпадать с пунктирной кривой на рис. 6.9. В этом случае при значении фазы  , несколько превышающей величину, при которой достигается максимум напряжения на аноде диода Д1, напряжения на его аноде и катоде выравниваются, т.к. вследствие инерционности разряда конденсатора  напряжение на катоде диода будет уменьшаться медленнее, чем на аноде. При фазе большей, чем  оба диода будут закрыты: Д1 – поскольку напряжение на его аноде меньше напряжения на катоде, а Д2 - отрицательным напряжением на его аноде. В данных условиях происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки  с соответствующим уменьшением на нем напряжения. Разряд будет продолжаться до момента времени  , когда после смены полярности подводимого напряжения  , напряжение на конденсаторе станет равным положительному напряжению на аноде диода Д 2. При  напряжение на аноде этого диода будет больше напряжения на катоде, он переходит в открытое состояние, и через него конденсатор  будет вновь заряжаться. Заряд конденсатора и увеличение на нем напряжения заканчивается при фазе  , при которой, как и при фазе  произойдет выравнивание напряжений на аноде и катоде, диода Д2.

Биполярный транзистор (структура, ВАХ, режимы работы).(билеты № 2;7;13;19;25)

Биполярный транзистор – это п/п прибор с 2-я p-n-переходами, имеющий три вывода. Действие основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а упр-е выходным током осущ-ся с помощью входного тока.

Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов. Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n–p- транзисторе – дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n–p–n-типа.

Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что, принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов.

Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его

электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противоположный. Структура транзистора, приведенная на рис. 3.1, называется n-p-n-структурой.

Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов).Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмитируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина делается очень маленькой. Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора

различают четыре режима работы транзистора.

Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт. Режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты(к обоим переходам подведены обратные напряжения.)

Полевые транзисторы JFET (структура, ВАХ, режимы работы). (билеты №2;8;12;17;22)

Полевой транзистор (униполярные транзисторы) – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства, которого обусловлены потоком основных носителей зарядов, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем.

В основе управления током полевых транзисторов лежит изменение сопротивления канала, через который протекает этот ток под действием электрического поля.

Полевой транзистор с управляющим p-n–переходом(JFET) имеет два омических контакта (сток, исток) и один или два управляющих p-n–перехода, включенных в обратном направлении (затвор). При изменении напряжения Uзи (обратного для p-n-переходов) меняется ширина p-n переходов транзистора, а => изменяется поперечное сечение токопроводящего канала и его проводимость, и в конечном итоге, выходной ток стока I_с транзистора. На сечение канала влияют напряжения Uзи и Uси. 1.При Uзи = 0 и Uси > 0 входная цепь закорочена. Толщина p-n-переходов минимальна (сопротивление канала минимально), через канал протекает максимальный ток стока Iс. 2. При возрастании напряжения Uзи < 0 и Uси > 0 толщина переходов увеличивается, сечение канала и его проводимость уменьшаются, => ток Iс снижается. 3. При значении некотором значении Uси канал сужается настолько, что границы p-n-переходов смыкаются и сопротивление канала становится достаточно высоким.

Активный режим — подано напряжение от внешнего источника питания плюсом к стоку и минусом к истоку. В результате в полупроводнике возникает поток электронов от истока к стоку

Инверсный режим — по процессам в канале противоположен активному режиму, т.е. поток носителей зарядов в канале протекает не от истока к стоку, а, наоборот — от стока к истоку. Для инверсного режима требуется только изменение полярности напряжения на канале, полярность напряжения на затворе остается неизменной. 

Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры.

Режим отсечки — режим, в котором ток через канал полевого транзистора не протекает. Переход полевого транзистора в режим отсечки происходит по достижении напряжением на затворе определенного порога (напряжение отсечки). 

Эмиттерный повторитель как усилитель мощности (принципиальная схема, основные соотношения). (билеты № 3;8;14;20)

Эмиттерным повторителем называется схема с Общим Коллектором (ОК)

Изменение потенциала эмиттера повторяет изменение потенциала базы, то схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем.

Так вот важнейшее свойство эмиттерного повторителя заключается в том, что его входной импеданс (импеданс – это полное сопротивление) намного больше, чем выходной. Iвых = Iэ.Iвх = Iб.Uвх = Uбк.Uвых = Uкэ. Вых сопр. Ед./дес кОм.

На первый взгляд, вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

• Напряжение Uвых. меньше Uвх. на каких-то 0,6–0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере (Напряжение U на эмитторе повторяет напряжение на база за исключением падения напряжения)).

• Uвых. в точности повторяет по форме и фазе Uвх.

• Сопротивление со стороны входа большое.

• Сопротивление со стороны выхода маленькое

Эмиттерный повторитель дает усиление по току, не усиливает сигнал по напряжения, т.к. сигнал на выходе всегда меньше по напр-ю, чем на входе на величину падения напряжения

Эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала.

 Эми́ттерный повтори́тель — частный случай повторителей напряжения на трёхэлектродных активных приборах на основе биполярного транзистора (катодного повторителя, истокового повторителя).

Характеризуется высоким коэффициентом усиления по току, коэффициент передачи по напряжению близок к единице. При этом входное сопротивление повторителя относительно велико, а выходное сопротивление — мало. Обладает широким диапазоном усиливаемых частот. Чтобы транзистор мог работать в активном режиме, необходимо, чтобы входное напряжение в этой схеме было выше напряжения на нагрузке на величину напряжения на UБЭ: Uвх= Uвых+Uбэ

-коэф усиления по току

-коэф усиления по напряжению

-коэф усиления по мощности

Тиристоры, симисторы, динисторы (ВАХ, статические и динамические параметры). (билеты № 3;9;15;21)

Тиристорами называют п/п приборы с 2-мя устойчивыми режимами работы (вкл/выкл), имеющие 3 или более p-n-переходов.

Тиристоры по своему принципу ключ. Прибор, пропускающий ток в одном направлении. Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания.

Симистор (симметричный триодный тиристор)— полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. Симистор  по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Кривая ВАХ на участке, ограниченном прямоугольником с координатами вершин (0;0) и (Vвo;IL) (нижняя ветвь), соответствует высокому сопротивлению прибора (прямому запиранию прибора);

Точка (Vвo;IL) соответствует моменту включения тиристора (переключению динистора во включённое состояние);

Кривая ВАХ на участке, ограниченном прямоугольником с координатами вершин (Vвo;IL) и (Vн;Iн), соответствует переключению прибора во включённое состояние (неустойчивая область).

Кривая ВАХ от точки с координатами (Vн;Iн) и выше соответствует открытому состоянию прибора (прямой проводимости);

На графике показаны ВАХ с разными токами управления IG (токами на управляющем электроде тиристора): IG=0; IG>0; IG>>0. Чем больше ток Iу, тем при меньшем напряжении происходит переключение тиристора в проводящее состояние;

Динистор(тиристор диодный) - это двухэлектродный ключевой полупроводниковый элемент, открытие которого происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, а закрытие-снижением до определённого уровня тока через него.

Статические - описывают свойства тиристоров в одном из статических состояний: высокой проводимости или низкой проводимости. Динамические - характеризуют процесс переключения, т.е. переход из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости и, наоборот, переход из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости.

Точки пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой дают возможные статические состояния тиристора

Точка А – тиристор закрыт, анодный ток очень мал, практически все напряжение приложено к тиристору в прямом направлении , может достигать нескольких тысяч вольт.

Точка В – соответствует открытому состоянию тиристора; анодное напряжение мало (обычно не более 2…2.5 В), а анодный ток может достигать нескольких тысяч ампер. Состояние высокой проводимости (точка В) аналогичню открытому состоянию диода

Точка С - находится на участке с отрицательным динамическим сопротивлением и является неустойчивой.

Точка D соответствует обратному включению тиристора (Е<0). Состояния низкой проводимости точки А и D (рисунок 12.10). В этих точках тиристор должен выдерживать подводимые напряжения. Он не должен самопроизвольно переходить в состояние высокой проводимости или пробоя.

Процесс включения тиристора. Для перехода из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости требуется время  , которое складывается из времени задержки  и времени нарастания  . Как только заряд превысит некоторое критическое значении  происходит смена полярности на переходе и тиристор начинает открываться. Продолжительность  определяет минимально необходимую длительность импульса управления  . В интервале  ток нарастает по экспоненте. Это объясняется тем, что ток неравномерно распределяется по сечению кристалла. Повышенная плотность тока на начальной стадии процесса включения вызывает нагрев, что вызывает прожег кристалла и выход тиристора из строя. Для исключения этого эффекта скорость нарастания тока ограничивается. Она не должна превышать критического значения скорости нарастания анодного тока  .

Процесс выключения тиристора. Для выключения тиристора необходимо приложить обратное напряжение. На временной диаграмме (рисунок 12.12) в момент времени  подается обратное напряжение и ток начинает убывать. В точке  ток становится равным нулю, но тиристор в интервале  пропускает значительный обратный ток, который вызван рассасыванием зарядов на переходах П1 и П3. Этот интервал называется временем восстановления обратного сопротивления. Затем ток убывает по экспоненте, на этом интервале происходит рекомбинация носителей заряда в переходе П2. Если подать положительное напряжение на анод тиристора раньше, чем пройдет интервал  , тиристор самопроизвольно откроется.

Интервал времени от момента прохождения анодного тока через ноль до момента, когда можно подавать положительное напряжение на анод тиристора называется временем восстановления запирающих свойств. Скорость нарастания прямого напряжения, определяемая внешней цепью, не должна превышать критического значения  . При превышении этого значения может произойти самопроизвольное включение тиристора без подачи управляющего сигнала. Такое включение является недопустимым и может привести к аварийной ситуации.