КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

283

висимости от значения выходного напряжения и выходной мощности трансформаторно-выпрямительные модули занимают от 30 до 60 % массы и объема высоковольтных источников электропитания.

Шестифазная однотактная схема (рисунок 9) применяется для по- лучения низких напряжений (менее 10 В) при токах нагрузки до сотен ам- пер. Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в тре- угольник для исключения вынужденного намагничивания магнитопровода. Пульсации выходного напряжения в этой схеме такие же, как в трехфазной мостовой, но трансформатор должен быть рассчитан на более высокую га- баритную мощность. Целесообразность применения схемы для низких на- пряжений объясняется тем, что падение напряжения на диодах в каждом такте работы в 2 раза меньше по сравнению с трехфазной мостовой схе- мой.

Принципы работы выпрямителей, сглаживающие фильтры

Простейшим выпрямителем может служить обычный полупро- водниковый диод, включаемый последовательно с нагрузкой в цепь пере- менного тока (рисунок 7,а). В этом случае нелинейность вольтамперной характеристики диода обусловливает протекание тока в цепи нагрузки только в одном направлении. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

При воздействии напряжения положительной полярности («+» при- ложен к аноду диода, как показано на рисунке 7,а) диод открывается, па- дение напряжения на нем мало по сравнению с питающим напряжением, а через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением питания и со- противлением нагрузки. При воздействии питающего напряжения обрат- ной полярности диод закрывается, и ток в нагрузку не поступает.

Таким образом, напряжение на выходе рассматриваемого вы- прямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практиче- ски повторяет форму положительной волны питающего напряжения пере- менного тока.

Среднее значение выпрямленного напряжения

где U2m - амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора;

U2 - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформа-

тора.

Максимальное обратное напряжение на диоде

Максимальный ток диода

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя коэф- фициент пульсаций ε = π 2 = 1,57 .

Их использование ограничено областью вспомогательных маломощ- ных источников постоянного тока, так как они характеризуются плохим использованием силового трансформатора и выходного сглаживающего фильтра.

Схема на рисунке 7,б относится к двухполупериодным (двух- тактным) выпрямительным схемам, в которых ток по цепи нагрузки проте- кает в течение обоих полупериодов питающего напряжения переменного тока. Выпрямители подобного типа получили в литературе название вы- прямителей с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора.

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения

поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупери- од открыт диод VD1, а в отрицательный – диод VD2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на на-

Вдвухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока

инапряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой

Из последней формулы определим действующее значение напряже- ния вторичной обмотки трансформатора

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя

Существенным недостатком схемы на рисунке 11 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной ам- плитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора

Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напря- жением.

286

Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке

7,в.

При выпрямлении положительного полупериода переменного на- пряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки – вентиль VD1 – верхний вывод нагрузки – нагрузка - нижний вы- вод нагрузки - вентиль VD4 – нижний вывод вторичной обмотки – обмот- ка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напря- жения ток проходит по следующей цепи: нижний вывод вторичной обмот- ки – вентиль VD2 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод на- грузки – вентиль VD3 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.

Как видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку одина-

ково.

По сравнению с выпрямителями, выполненными по схеме с общей точкой (рисунок 7,б), выпрямители, выполненные по мостовой схеме, со- держат вдвое большее количество выпрямительных диодов и ха- рактеризуются большими потерями мощности в них, однако позволяют использовать диоды с вдвое меньшим допустимым обратным напряжени- ем. Кроме того, мостовая выпрямительная схема характеризуется лучшим использованием трансформатора вследствие того, что ток в его вторичной обмотке протекает в течение обоих рабочих полупериодов.

В выпрямителях, выполненных по схеме с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, ток нагрузки протекает поочередно через две идентичные полуобмотки, каждая из которых при прочих равных условиях содержит столько же витков, сколько их содержит вся вторичная обмотка трансформатора в мостовой выпрямительной схеме.

Выпрямители, выполненные по мостовой схеме, принципиально мо- гут подключаться к сети переменного тока и без трансформатора. Такое включение используется в тех случаях, когда не требуется электрической изоляции цепи нагрузки выпрямителя от питающей сети, а выходное на- пряжение выпрямителя определяется только напряжением питания.

Схемами с умножением напряжения называются такие выпрямитель- ные схемы, в которых выходное напряжение в 2 - 4 раза или более превы- шает значение напряжения на вторичной обмотке высоковольтного транс- форматора. В качестве дополнительных источников э.д.с., предназначен- ных для увеличения выходного напряжения, в таких схемах используют конденсаторы, периодически заряжаемые при помощи полупроводнико- вых диодов.

На рисунке 8,а приведена схема однофазного выпрямителя с удвое- нием напряжения, состоящая из двух однофазных выпрямительных схем с диодами VD1 и VD2 и конденсаторами С1 и С2. Оба этих выпрямителя со-

288

Резонансная частота фильтра ω р определяется зависимостью

1 ω р = (16)

LС

и должна быть существенно меньше частоты первой гармоники пульсаций. Отсюда следует, что частоты переменных составляющих входного напря- жения фильтра должны быть существенно больше его резонансной часто- ты.

Для LC-фильтра параметры выбираются так:

k ω 1 Rн

где k – номер гармоники;

ω 1 - основная частота пульсаций (частота первой гармоники пульсаций);

Rн – сопротивление нагрузки выпрямителя.

Индуктивность дросселя фильтра L выбирается исходя из требуемо- го коэффициента сглаживания пульсаций на заданной гармонике qk

Для RC-фильтра параметры выбирают таким образом, чтобы обеспе- чить, с одной стороны, минимальные потери мощности, а с другой сторо- ны, получить заданное значение коэффициента сглаживания пульсаций.

Поэтому необходимо обеспечить

k ω 1 R

Обычно RС-фильтр применяют в схемах с большим сопротивлением Rн. При больших токах нагрузки, когда сопротивление Rн мало, применя- ется LC-фильтр.

Контрольные вопросы

1.Полупроводниковый выпрямительный диод.

2.Классификация диодов.

3.Схемы однофазных неуправляемых выпрямителей.

4.Принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя.

5.Принцип работы мостового однофазного двухполупериодного выпрямителя.

6.Пульсации выпрямленного напряжения и сглаживающие фильт-

ры.

289

Лекция 4.3 Биполярные транзисторы

План лекции

1)Биполярный транзистор (БТ). Принцип работы. Классификация и основные параметры БТ.

2)Схемы включения биполярных транзисторов ОЭ, ОК и ОБ. Свойст- ва и области применения усилительных каскадов на биполярных транзисто- рах.

4.3.1Биполярный транзистор. Принцип работы. Классификация и основные параметры БТ

4.3.1.1 Биполярный транзистор. Принцип работы

Биполярный транзистор (в дальнейшем – БТ), полупроводниковый элемент с тремя электродами и двумя р-n переходами. Он служит для уси- ления или переключения электрических сигналов.

Различают кремниевые и германиевые транзисторы. Они бывают р- п-р и п-р-п типа. На рисунке 1 показаны их условные обозначения.

а б в Рисунок 1 – Условные обозначения биполярного транзистора: а – БТ р-п-р

типа; б - БТ п-р-п типа; в – конструкция БТ п-р-п.

Биполярный транзистор состоит из двух противоположно включен- ных р-n переводов, которые имеют общий р- или п- слой.

Электрод, соединенный с ним, называется базой (Б). Два других электрода называются эмиттером (Э) и коллектором (К), соответственно.

Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обо- значением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она только дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напря- жения.

Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а пе- реход база-коллектор - в обратном. Поэтому источники напряжения долж- ны быть включены, как показано на рисунке 2.

Для работы транзистора абсолютно необходимо, чтобы в его конст- рукции соблюдалось два правила:

291

Вактивном режиме работы транзистор включён так, что его эмит- терный переход (база – эмиттер) открыт, а коллекторный переход (коллек- тор - база) закрыт. Такой режим возникает при подаче положительного на- пряжения на базу, относительно эмиттера. Величина этого напряжения должна быть достаточна для открывания перехода (0,6 – 0,7 В для кремния или 0,2 – 0,3 В для германия).

Вn-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями за- ряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из- за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, поступающих из эмиттера, диффундирует в об- ласть коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого кол- лекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неос- новные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора Iк , таким образом, практически равен току эмиттера Iэ, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы

Коэффициент α , связывающий ток эмиттера и ток коллектора назы-

вается коэффициентом передачи тока эмиттера. Чем больше коэффи-

циент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

Коэффициент β называется коэффициент усиления транзисто-

ра по току. Действительно, выражение (1) можно записать таким образом

Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы. Таким образом, изменяя малый ток базы, мож- но управлять значительно большим током коллектора. В этом и проявля- ются усилительные свойства транзистора.

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряже- ние Uбэ и измерим выходной ток Iк как функцию выходного напряжения Uкэ. После ступенчатого повышения входного напряжения получим се-

мейство выходных характеристик (рисунок 4).

Фундаментальным свойством транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения Uкэ определенного