Днофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Рисунок 1 - Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема - диод открыт, б) схема - диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).

Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 - отрицательным полюсом.

Рисунок 2 - Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема - выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций - 0,67.

спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор большой емкости, который включается параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор обладает большим сопротивление постоянному току и малым сопротивлением переменному току. Рассмотрим работу фильтра на примере схемы однополупериодного выпрямителя (рис. 1, а).

Рисунок 1 - Однофазный однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром: а) схема б) временные диаграммы работы

При протекании положительной полуволны во временном промежутке t0 – t1 (рис. 2.63, б) протекает ток нагрузки (ток диода) и ток заряда конденсатора. Конденсатор заряжается и в момент времени t1 напряжение на конденсаторе превышает спадающее напряжение вторичной обмотки – диод закрывается и во временной промежуток t1 – t2 ток в нагрузке обеспечивается разрядом конденсатора. Т.о. ток в нагрузке протекает постоянно, что значительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Чем больше емкость конденсатора Сф, тем меньше пульсаций. Это определяется време-нем разряда конденсатора - постоянной времени разряда τ = СфRн. При τ > 10 коэффициент сглаживания определяется по формуле q = 2π fс m СфRн, где fс – частота сети, m – число полупериодов выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором RH при небольших мощностях нагрузки.

Индуктивный фильтр (дроссель) включается последовательно с Rн (рис. 3, а). Индуктивность обладает малым сопротивлением постоянному току и большим переменному. Сглаживание пульсаций основывается на явлении самоиндукции, которая изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении (рис. 2, б).

Рисунок 2 - Однофазный однополупериодный выпрямитель с индуктивным фильтром: а) схема, б) временные диаграммы работы

Индуктивные фильтры применяют в выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих с большими токами нагрузки.

Коэффициент сглаживания определяется по формуле: q = 2π fс m Lф /Rн

Работа емкостного и индуктивного фильтра основана на том, что во время протекания тока, потребляемого из сети, конденсатор и катушка индуктивности запасают энергию, а когда тока от сети нет, либо он уменьшается, элементы отдают накопленную энергию, поддерживая ток (напряжение) в нагрузке.

8. Полупроводнико́выйстабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя^[1]. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко^[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом^[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов^[2].Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

9.Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками.

Принцип действия: В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении^[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n^[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико^[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»). Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы. Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора. -коэффициент усиления по току. Его также обозначают как Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах: Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

10. С общим коллектором, базой, эмиттером ! ЗНАТЬ

11.При увеличении напряжения на коллекторе наблюдается эффект, который получил название "эффект Эрли" или "эффект модуляции ширины базы" - с ростом напряжения коллектора происходит расширение области объемного заряда коллекторного перехода и граница этой области приближается к эмиттерному переходу, т. е. база становится уже. При уменьшении толщины базы снижается вероятность рекомбинации, что при одинаковом токе эмиттера, эквивалентно уменьшению тока базы и некоторому увеличению тока коллектора (Ik=Ie-Ib).

12.ависимости между токами и напря­жениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзи­сторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рас­смотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем.

В транзисторах взаимно связаны всегда четыре величины: i₁ i₂, и₁ и₂ — входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость показать нельзя. Необходи­мо два семейства. Наиболее удобно рас­сматривать семейство входных характе­ристик вместе с семейством выходных характеристик.

Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Пользуясь характеристи­ками, надо обращать внимание на то, к какой схеме они относятся. Мы рас­смотрим основные характеристики для наиболее распространенной схемы — с об­щим эмиттером и с общей базой. Эти характеристики приводятся в справоч­никах.

 

Входные характеристики - определяют связь входного тока с входным напряжением при постоянном выходном напряжении.

В схеме с ОБ – это зависимость при постоянных значениях напряжения , которое является параметром семейства входных характеристик. Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рисунке 4.15.

Отрицательные значения напряжения соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для =0 практически совпадает с характеристикой р-n-перехода.

В схеме ОЭ входные характеристики (рис. 4.16) – это зависимости с параметром .

 

При напряжении и оба перехода включены в прямом направлении, транзистор работает в режиме насыщения, электроны инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. Поэтому при заданном напряжении входной ток, определяемый инжекцией дырок из базы в коллектор и эмиттер, а также рекомбинацией электронов в базе, имеет наибольшее значение. При повышении напряжения транзистор переходит в активный режим. Входной ток уменьшается, так как прекращается инжекция дырок из базы в коллектор и уменьшается ток рекомбинации из-за снижения заряда электронов в базе. При дальнейшем повышении напряжения входной ток уменьшается из-за снижения толщины базы и тока рекомбинации.

Выходные характеристики – это зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром.

Для схемы ОБ семейство выходных характеристик n-p-n транзистора представлено на рис. 4.17. Здесь параметром служит ток эмиттера.

Область характеристик при соответствует активному режиму. Область характеристик при относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции, направленный противоположно току коллектора, поэтому полный ток коллектора уменьшается и может даже изменить направление. При больших напряжениях ток резко возрастает вследствие пробоя коллекторного перехода. Для коллекторного перехода характерен лавинный пробой, что объясняется низкой концентрацией примесей в коллекторе.

 

 

Для схемы ОЭ семейство выходных характеристик n-p-n транзистора приведено на рис. 4.18. Здесь параметром является ток базы.

 

 

Пологий участок характеристик, где соответствует активному режиму. На этом участке ток коллектора заметно увеличивается с ростом напряжения . Крутые участки характеристик при малых напряжениях соответствуют режиму насыщения. При больших напряжениях наблюдается резкое увеличение тока, обусловленное пробоем.

 

13. Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.

– это уравнение динамического режима работы транзистора.
Уравнение динамического режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках.

Две точки для построения прямой находятся из начальных условий. IК при UКЭ = 0 называется током коллектора насыщения. Выходная динамическая характеристика получила название нагрузочной прямой. По нагрузочной прямой можно построить входную динамическую характеристику. Но поскольку она очень близка к входной статической характеристике при UКЭ > 0, то на практике пользуются входной статической характеристикой. Точка пересечения нагрузочной прямой с одной из ветвей выходной статической характеристикой для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора (РТ). Рабочая точка позволяет определять токи и напряжения, реально существующие в схеме.

14. Современная классификация режимов работы усилителей достаточно запутана. Традиционно классы усилителей различались по положению рабочей точки на статических характеристиках усилительного прибора. Позднее добавили классификацию усилителей по режиму работы: ключевой и токовый режимы работы. Наиболее распространенная классификация усилителей приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация усилителей

Режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на характеристике прямой передачи по току усилительного прибора, такого как биполярный или полевой транзистор, электронная лампа. Достаточно часто режим работы усилителя называется классом работы. Выбор рабочей точки может значительно влиять на основные характеристики усилителя, такие как коэффициент усиления, нелинейные искажения и к.п.д.

При определении класса усилителя пользуются идеализированной статической характеристикой усилительного прибора. При этом реальная проходная характеристика заменяется кусочно-линейной аппроксимацией, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Идеализированная статическая характеристика усилительного прибора

В зависимости от положения рабочей точки на характеристике прямой передачи усилительного прибора и формирования тока коллектора (анода, стока) различают следующие виды аналоговых (токовых) режимов:

усилитель класса A — рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики

усилитель класса B — рабочая точка выбирается в начале линейного участка статической характеристики

усилитель класса C — рабочая точка выбирается ниже начала линейного участка статической характеристики (усиление только ЧМ сигналов)

Особенности усиления сигнала в усилителях этих классов иллюстрируются рисунком 2.3. На этом рисунке приведены временные диаграммы выходного тока транзистора в зависимости от положения рабочей точки при поступлении на вход синусоидального сигнала. Как видно из этих временных диаграмм, усилители классов B и C обладают значительной нелинейностью и для ее устранения приходится применять специальные меры, такие как фильтрация выходного сигнала или применение двухтактных схем.

Рисунок 3. Положение рабочей точки в усилителях класса A, B и C

Работа усилителя в ключевом режиме значительно отличается при усилении низкочастотного сигнала и высокочастотного узкополосного сигнала. В отечественной литературе эти режимы не различаются. Просто в литературе, ориентированной на низкочастотную усилительную технику и в литературе, ориентированной на радиочастотное применение ключевой режим описывается по разному. В зарубежных изданиях в зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают следующие виды ключевых режимов:

класс D — транзистор работает в ключевом режиме

звуковые усилители класса D — для сохранения формы звукового сигнала используется ШИМ или ΣΔ-модуляция

высокочастотные усилители мощности класса D — дополнительная модуляция не требуется, она уже присутствует в усиливаемом сигнале. При этом амплитуда неизменна, информация содержится в частоте и фазе сигнала

усилитель класса E — это узкополосный усилитель, в котором при помощи согласующих цепей добиваются, чтобы ток через усилительный прибор протекал при нулевом напряжении. Переключение осуществляет высокочастотная несущая. Применим только для угловых видов модуляции.

усилитель класса F — это узкополосный усилитель в котором рабочая точка выбирается в начале линейного участка, как для класса B, а в качестве нагрузки используется многоконтурный фильтр, формирующий прямоугольное напряжение на коллекторе.

При работе с высокочастотными узкополосными сигналами можно реализовать более высокийк.п.д. по сравнению с классическим режимом работы усилителя класса B. Это достигается подчеркиванием высокочастотных гармоник на коллекторе или стоке транзистора. Этот метод хорошо описан в отечественной литературе, однако в зарубежной литературе он получил название класс F.

Следует отметить, что усилители классов C, E, F предназначены для усиления узкополосных высокочастотных сигналов с высокимк.п.д. Усилители классов A, B, D используются для усиления низкочастотных широкополосных сигналов, таких как звуковые сигналы, телевизионные или цифровые сигналы в BaseBand диапазоне. При этом класс B может быть использован только в двухтактных каскадах. Усилители класса A могут использоваться и для усиления высокочастотных сигналов если более важным параметром усилителя является его линейность и коэффициент шума. Усилители класса B тоже могут использоваться для усиления высокочастотных сигналов.

15.

Рисунок 1.4 – Схемы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов

 

Физический смысл коллекторной температурой стабилизации заключается в следующем. При увеличении тока I_к падение напряжения на R_квозрастает. При этом приращение отрицательного потенциала на коллекторе через резистор R_б поступает на базу транзистора, смещая эмиттерный переход в обратном направлении. В результате уменьшается ток базы I_б, а следовательно, ток коллектора I_к, который стремится уменьшиться до своего первоначального значения.

Более эффективной является схема усилительного каскада с отрицательной обратной связью по постоянному току через резистор R_э, которая сохраняет работоспособность при изменении температуры на 70…100 °С. Увеличение с ростом температуры тока I_к приводит к увеличению тока I_э = I_к / h_21б и падение напряжения на сопротивление R_э, указанной на рис.1.4, б полярности. При этом по отношению к базе становится более положительным и эмиттерный переход смещается в обратном направлении. Это вызывает уменьшение базового тока I_б, в результате чего ток коллектора I_к также уменьшается, стремясь возвратиться к своему первоначальному значению. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (в случае наличия входного переменного сигнала) резистор R_э шунтируют конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть незначительным.

Схема температурной стабилизации с комбинированными обратными связями изображена на рис.1.4, в. Принцип стабилизации такой схемы заключается в следующим:.

1. При повышении температуры возрастает ток эмиттера I_э и, соответственно, увеличивается падение напряжения на сопротивление R_э. Это приводит к тому, что эмиттер становиться более отрицательным, а база – более положительной относительно более отрицательного эмиттера, что в свою очередь приводит к призакрыванию транзистора и стабилизации тока эмиттера.

2. При повышении температуры возрастает ток коллектора I_R, что приводит к соответствующему падению напряжения на резисторе R_Ф. Потенциал в точке А при этом увеличивается и поступает на базу транзистора через сопротивление R₁. Это приводит к тому, что база становиться более положительной и, следовательно, транзистор призакрывается.

Эффективность термостабилизации принято оценивать коэффициентом нестабильност

Термокомпенсация - …

 

16.Усилительные свойства транзисторов определяются свойствами мате­риала, из которого они изготавливаются, технологией их производства, конструкцией, режимом работы и схемой включения. С ростом частоты усилительные свойства ухудшаются. Это означает, что уменьшается уси­ление, падает выходная мощность, появляется фазовый сдвиг, т. е. за­паздывание выходного тока по отношению к входному. На диапазон рабо­чих частот транзисторов оказывают влияние следующие параметры:

– время пролёта неосновных неравномерных носителей в области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

– ёмкости эмиттерного С_э и коллекторногоС_к переходов;

– объёмное сопротивление базы r_б^’, определяемое её геометрическими размерами.

Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) необходимо:

1. Уменьшить время пролёта носителей через базу, т. е.

а) уменьшить ширину базы;

б) использовать n-p-n-транзисторы, так как подвижность электронов больше, чем у дырок;

в) использовать германиевые транзисторы, так как в германии подвиж­ность носителей выше, чем в кремнии. Большие возможности открывает применение арсенида галлия.

2. Снижение емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

3. Снижение объёмного сопротивления базы.

Однако эти условия противоречивы. Для уменьшения времени пролёта носителей необходимо уменьшить ширину базы, но при этом возрастает сопротивление базы. Уменьшение удельного сопротивления базы за счёт увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины кол­лекторного перехода и увеличению ёмкости коллекторного перехода.

Удачным решением проблемы является увеличение скорости переме­щения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов.
В дрейфовых транзисторах n-p-n-типа концентрация примесей в эмиттерной стороне базы в 100 раз больше, чем около коллектора. Из-за наличия гра­диента концентрации примесей (а, следовательно и дырок) основные но­сители в базовой области – дырки начинают диффундировать в направле­нии коллекторного перехода. Однако, в отличии от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамическое равновесие: действие градиента концен­трации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движу­щихся от эмиттера к коллектору (плюс у коллектора, минус у эмиттера). Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примесей вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению ёмкости последнего.

В результате дрейфовые транзисторы могут работать в СВЧ-диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).

 

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 960; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!