Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Зарядное Аккумуустройство ляторы

Рисунок 2.15 — Структурная схема солнечной электростанции

Схема показывает необходимость введения в солнечную электростанцию следующих функциональных узлов.

Регулятор мощности требуется для возможности отбора максимальной мощности от солнечной батареи, которая обладает существенно нелинейной вольтамперной характеристикой Uфд = f(Iфд), что показано на рисунке 2.12. Кроме того, при изменении условий освещенности солнечной батареи («ясно», «облачно» и др.) ее выходное напряжение изменится, что требует необходимости стабилизации выходного напряжения регулятора.

Общепринятым видом напряжения электроснабжения любых бытовых и промышленных электротехнических устройств и систем является переменное напряжение частоты 50 или 60 Гц. На схеме (рисунок 2.15) функцию преобразования постоянного напряжения регулятора в переменное выполняет инвертор.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 2.15, для обеспечения непрерывности работы солнечной электростанции в ночное время требуются аккумуляторы, которые в дневное время должны подзаряжаться.

Очевидно, что несмотря на кажущийся простой принцип получения бесплатной электрической энергии, практическая реализация солнечной электростанции довольно сложна и требует введения материалоемких и дорогих функциональных узлов. Кроме того, для обеспечения ее работоспособности необходимы значительные эксплуатационные расходы. Если реализация и обслуживание устройств силовой электроники — регулятора, инвертора и зарядного устройства — не вызывают больших трудностей, то стоимость и обслуживание аккумуляторных батарей на выходные мощности в десятки и сотни мегаватт весьма велики. Это одна из основных причин ограниченного применения солнечных электростанций

31

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

вмире, и позволить их строительство и последующую эксплуатацию могут только страны с мощной экономикой. В частности, в настоящее время солнечные электростанции на мощность в сотни мегаватт строятся в Китае, который испытывает определенные трудности с обеспечением станы углеводородами. Электростанции меньшей мощности строятся в Америке, Африке и в богатых странах арабского региона, в том числе и в Израиле. Конечно, важную роль

вэтом процессе играет количество и интенсивность солнечного излучения, что благоприятно сказывается в странах южного полушария, близких к экватору.

Несмотря на эти трудности, маломощные солнечные электростанции применяются и в странах Западной Европы. В основном это относится к бытовому обеспечению электроэнергии. В Германии существует государственная программа по внедрению солнечных батарей в жилых домах. При этом установка и стоимость бытовых солнечных электростанций частично компенсируется государством. В России этот процесс ограничивается опытными бытовыми устройствами и маломощными источниками электропитания для устройств регулирования уличным движением.

2.1.6.Параллельное и последовательное соединение диодов

Впрактике разработки и изготовления электронной аппаратуры иногда приходится использовать параллельное или последовательное соединение диодов. Такая необходимость часто возникает в устройствах силовой электроники, когда необходимо выпрямлять большие токи или напряжения, а в наличествуют диоды, максимально допустимые прямые токи и обратные напряжения которых не соответствуют требуемым эксплуатационным параметрам. В частности, параллельное и последовательное соединение диодов широко применяется в выпрямительных агрегатах тяговых подстанций при электротяге постоянного тока и в выпрямительных блоках электровозов (электричек) переменного тока и тепловозов.

Принципиальным свойством ВАХ диодов, как и всех полупроводниковых приборов, включая диоды с p-n переходом и диоды Шоттки, является большой технологический разброс параметров как в прямой, так и обратной областях проводимости (рисунок 2.16).

32

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Рисунок 2.16 — ВАХ диодов с учетом технологического разброса параметров

Здесь показано, что для одного и того же прямого тока прямое падение напряжения у диода VD1 меньше, чем у VD2, а обратный ток при одном и том же обратном напряжении у диода VD1 больше, чем у VD2. Практически у кремниевых диодов с p-n переходом при температуре +25 °C прямое падение напряжения может лежать в пределах от 0,8 до 1,2 В, а разница в величинах обратного тока составляет 5–15 раз.

Параллельное включение диодов, используемое для увеличения выпрямляемого тока, показано на рисунке 2.17. Здесь рассматривается включение двух диодов, однако анализируемый ниже подход может быть распространен на любое число параллельно включенных диодов.

Rв1 Iпр1 VD1

Iпр1 + Iпр2

Rв2 Iпр2 VD2

Рисунок 2.17 — Параллельное включение диодов

Примем вначале, что сопротивленияRв1 = Rв2 = 0. Тогда падения напряжения на диодахVD1 и VD2 будут равны между собой и соответствуют напряжению Uпр, показанному в области прямой

33

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

проводимости ВАХ рисунка 2.15. В этом случае токи через каждый из диодов будут равны значениямIпр1 и Iпр2. Относительная разность токов

определяющая разброс значения прямых токов, зависит от величины сопротивления Rдифф диодов. В практических схемах выпрямителей dIпр = 2–15, а иногда и более. Это означает, что во столько же раз будут отличаться прямые токи Iпр1 и Iпр2, протекающие через диоды. Следовательно, для исключения перегрузки диодов по параметру максимального тока Iпр max необходимо принятие специальных мер по выравниванию токов через параллельно включаемые диоды выпрямителей. Иначе произойдет их отказ.

Эти меры заключаются в необходимости введения выравнивающих резисторов Rв, которые показаны на схеме рисунка 2.17. В идеальном случае равенство Iпр1 = Iпр2 будет обеспечено тогда, когда выполняется соотношение:

где Uв1 и Uв2 — падения напряжения на резисторахRв1 и Rв2 соответственно.

Однако это повлечет за собой определенное снижение КПД диодной цепи за счет увеличения мощности, рассеиваемой на этих резисторах. Поэтому на практике выбирается разумный компромисс, заключающийся в том, что падения напряжения на резисторах должны лежать в пределах: Uв1 = Uв2 = (2,5–3,5)Uпр.

Имеется также другой путь выравнивания токов через параллельно включенные диоды. Он заключается в предварительном специальном отборе диодов и последующем распределении их по группам по величине прямого падения напряжения Uпр. Далее параллельно включаются диоды, выбранные из одной группы, разброс напряжения Uпр у которых минимален. В этом случае величины сопротивлений резисторов Rв1 и Rв2 могут быть уменьшены с целью снижения падения напряжений на них до величин:Uв1 = Uв2 = (0,2–0,8)Uпр. Такой метод применяется, в частности, в мощных силовых выпрямителях тяговых подстанций постоянного тока железнодорожного транспорта и в электровозах при электротяге переменного тока.

34

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Однако следует отметить, что в неспециализированных схемах электроники общего применения, в том числе источниках вторичного электропитания, специальный отбор диодов по параметру Uпр запрещен.

Последовательное включение диодов, применяемое для увели-

чения величин выпрямляемого напряжения, показано на рисунке 2.18. Здесь для упрощения рассмотрен случай включения лишь двух диодов VD1 и VD2. Однако рассмотренный принцип выравнивания напряжений справедлив для любого числа последовательно включенных диодов.

Рисунок 2.18 — Последовательное включение диодов

Примем вначале, что сопротивления Rв1 = Rв2 = Ґ, то есть токи Iв1 = Iв2 = 0. Тогда исходя из вида области обратной проводимости ВАХ диода, приведенной на рисунке 2.16, обратные напряжения, прикладываемые к диодам VD1 и VD2, будут различными и равными Uобр1 и Uобр2 соответственно. По аналогии с формулой (2.14) можно ввести понятие относительной разности обратных напряжений, прикладываемых к диодам:

которая определяет изменение обратных напряженийUоб диодов VD1 и VD2. Практически для кремниевых диодов имеем величину: dUобр = 5–50, то есть бо́льшую, чем значениеdIпр. Следовательно, здесь, как и в предыдущем случае, требуются специальные меры по выравниванию обратных напряжений Uобр, прикладываемых к последовательно включенным диодам.

Функцию выравнивания напряжений выполняют резисторы Rв1 и Rв2, включаемые параллельно диодам VD1 и VD2; это показано на рисунке 2.18. Выравнивание будет достигнуто, если будет выполняться соотношение

35

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

где Iв1 и Iв2 — токи, протекающие через резисторыRв1 и Rв2 соответственно.

В этом случае, в отличие от предыдущего, введение выравнивающих резисторов не вызывает значимого снижения КПД выпрямителя, так как обратные токи кремниевых диодов с p-n переходом достаточно малы. Практически для надежного выравнивания обратных напряжений требуется, чтобы выполнялись равенства Rв1 = Rв2 и Iв1 = Iв2 = (5–20)Iобр. Подобный принцип выравнивания напряжений диодов с p-n переходом широко применяется на практике.

Очевидно, что последовательное соединение диодов Шоттки по предложенной методике выравнивания напряжений не может быть использовано, так как у подобных диодов обратные токи относительно велики и введение выравнивающих резисторов может ухудшить электрические характеристики выпрямителя.

2.2. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в режиме электрического лавинного пробоя. Принцип действия стабилитрона подробнее рассматривается при выполнении соответствующей лабораторной работы. В широком диапазоне изменения обратного тока через стабилитрон напряжение на нем меняется незначительно, что определяет основное назначение стабилитрона — стабилизация постоянных напряжений. Если произведение обратного тока на обратное напряжение (мощность, рассеиваемая стабилитроном) не превосходит нормированных величин, то отказа стабилитрона не происходит. Поэтому рабочей областью ВАХ стабилитрона является область обратной проводимости, а область прямой проводимости используется лишь в специальных целях, например, для температурной компенсации напряжения стабилизации.

Область применения стабилитронов — схемы стабилизации постоянных и переменных напряжений и устройств защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений.

Условное обозначение VDст и его ВАХ приведены на графике рисунка 2.19.

36

Рассмотрим основные характерные точки ВАХ стабилитрона, которые определяют его функционирование в электронных схемах.

Основным параметром стабилитрона служит напряжение стабилизации Uст. Существующий и выпускаемый промышленностью ряд стабилитронов имеет номинальные значения напряжения стабилизации Uст от 5 В до нескольких сотен вольт, а токи стабилизации — от единиц миллиампера до.десятков ампер.

Реально напряжение Uст не абсолютно стабильно, а изменяется при изменении тока Iст, протекающего через стабилитрон, что показано на ВАХ точками Uст А и Uст Б. Степень изменения напряжения Uст, то есть величина нестабильности этого напряжения определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона, рассчитываемым в соответствии с обозначениями ВАХ рисунка 2.19:

Величина Rдифф в зависимости от типа стабилитрона может лежать в пределах от долей до единиц Ом, где стабилитронам большей мощности соответствуют меньшие значения Rдифф. Очевидно, что чем меньше Rдифф, тем лучше качество стабилизации напряжения Uст.

37

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Точки А и Б графика (рисунок 2.19) определяют минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации Iст min и Iст max соответственно. При эксплуатации стабилитрона необходимо, чтобы ток через него не снижался менее заданного значения Iст min. Иначе напряжение на стабилитроне начнет резко уменьшаться, так как он выйдет из режима лавинного пробоя (режима стабилизации). Типичные значения Iст min лежат в диапазоне от 100 мкА до десятков-сотен мА. Бóльшие значения Iст min имеют стабилитроны бóльшей мощности. Максимальный ток стабилизации Iст max определяется максимально допустимой мощностью рассеиваемой стабилитроном: Рст max = UстIст max. В зависимости от напряжения стабилизации, типа и размера корпуса стабилитрона эта мощность лежит в пределах от долей до нескольких десятков ватт, где для последних необходимо применение теплоотводящих устройств.

Для увеличения стабилизируемого напряжения возможно применение последовательного включения стабилитронов. Однако параллельное включение стабилитронов для увеличения тока невозможно, так как распределение токов через них будет очень неравномерным из-за технологического разброса напряжений стабилизации Uст стабилитронов даже в одной партии приборов.

Как и все полупроводниковые приборы, стабилитроны обладают определенной температурной нестабильностью параметров. В первую очередь это относится к напряжению Uст. Причем, если у диодов с p-n переходом в области прямого включения температурный коэффициент изменения падения напряжения Uпр четко определен и отрицателен по знаку, так как при увеличении температуры напряжение Uпр уменьшается, то для стабилитронов картина изменения напряжений носит более сложный характер. Это иллюстрируется графиком ТКНст = f(Uст) рисунка 2.20, где сокращение «ТКН ст» означает температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона; DUст — изменения напряженияUст, вызванные изменением температуры Т.

График показывает, что стабилитроны, у которых напряжение стабилизации Uст >(5–6) В, имеют положительные величины ТКН ст, а для Uст < (5–6) В коэффициент ТКНст отрицателен. Это обусловлено тем, что при низком напряжении на переходе в стабилитроне существует не лавинный, а так называемый зенеровский пробой. При напряжении на переходе от 5 до 6 В одновременно существуют два вида пробоя, поэтому температурный коэффициент близок к нулю. Это в некоторых случаях требует принятия специальных мер

38

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

для повышения стабильности напряжения стабилизаторов на стабилитронах. В частности, в области положительных значений ТКНст возможна термокомпенсация напряжения стабилизации стабилитрона при помощи последовательно включенного диода с p-n переходом. Такие стабилитроны со встроенным p-n переходом выпускаются промышленностью и называются термокомпенсированными.

Рисунок 2.20 — Зависимость температурного коэффициента стабилизации от номинального напряжения стабилизации

Основные параметры стабилитронов:

—номинальное напряжение стабилизации Uст;

—дифференциальное сопротивление Rдифф;

—минимальный ток стабилизации Iст min;

—максимально допустимый ток через стабилитрон Iст max;

—температурныйкоэффициентстабилизациинапряженияТКН ст. Стабисторы представляют собой полупроводниковые приборы,

предназначенные для стабилизации и ограничения амплитуды импульсов довольно малых напряжений — менее 3–4 В. По принципу изготовления стабисторы представляют собой обычные диоды с p-n переходом, работающие в области прямой проводимости ВАХ.

Так как прямое падение напряженияp-n перехода физически не может быть изменено, то для изменения напряжения стабилизации Uст стабистора применяют последовательное включение нескольких p-n переходов. При этом последовательное включение p-n переходов стабистора выполняется на стадии изготовления; конструктивно они расположены в одном корпусе и на одном кристалле, поэтому напряжения стабилизации стабисторов имеют дискретный характер, величина которого определяется значением суммы падений прямого напряжения каждого из p-n переходов. То есть напряжения Uст стабистора при Uпр = 0,7 В одного p-n перехода будут примерно равны: 0,7, 1,4, 2,1 В и т.д.

39

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Для увеличения стабильности напряжения стабилизации у стабисторов приняты специальные технологические меры по уменьшению дифференциального сопротивления по отношению к обычным диодам с p-n переходом, которые применяются в выпрямителях.

Однако практически достичь у стабисторов тех же показателей стабильности напряжения Uст, что и у стабилитронов, невозможно, и это необходимо учитывать при разработке низковольтных стабилизаторов напряжения.

Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, за исключением величин напряжения стабилизации и схемы подключения. С точки зрения схемотехники включения стабистора в схеме стабилизатора постоянного напряжения, данная схема отличается полярностью напряжения подаваемой на стабистор.

2.3. Транзисторы

2.3.1. Биполярные транзисторы

2.3.1.1. Характеристики и общие сведения

Биполярные транзисторы являются первыми и наиболее широко применяемыми полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления электрических сигналов и преобразования аналоговой и логической информации.

Принцип действия биполярного транзистора заключается во взаимодействии двух p-n переходов, из которых состоит его полная полупроводниковая структура. Существуют два вида биполярных транзисторов: n-p-n и p-n-p, отличающихся типом проводимости, то есть взаимным расположением тех или иных p-n переходов в полупроводниковой структуре. Условные обозначения транзисторов, принятые в электронных схемах с указанием полярностей напряжения и направлений токов, протекающих по электродам, приведены на рисунке 2.21.

Электроды биполярного транзистора: база — Б, коллектор — К, эмиттер — Э. Далее будет рассматриваться работа всех электронных схем на примере применения n-p-n транзисторов, которые нашли широкое распространение в практической схемотехнике. Принцип работы схем наp-n-p транзистора аналогичен и отличается лишь

40