Полупроводниковый «p-n» - переход и его свойства

 

 

Полученные выше формулы позволяют дать сравнительную оценку возможных схем включения транзистора и установить эффективность применения той или иной схемы с точки зрения усиления тока, напряжения и мощности.

ТОК: Kik≈Kiэ≈50Kiб при α=0.98;

НАПРЯЖЕНИЕ: KUб≈KUэ>>KUk

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ: Rвхк>>Rвхэ≈ 50Rвхб

МОЩНОСТЬ: KPэ≈50Kpб>Kpk при равенстве нагрузочных сопротивлений для ОЭ и ОБ.

 

15. Однополупериодный  выпрямитель, принцип действия, коэффициент  пульсации выпрямленного тока.

Выпрямлением называется процесс преобразования переменного тока в постоянный при помощи устройств, обладающих односторонней проводимостью. Устройства, используемые при этом, называются выпрямительными.

Выпрямительное устройство (ВУ) обычно состоит из трёх основных элементов:

- трансформатора (изменяет величину переменного  напряжения из источника питания, приводя её к величине требуемого  напряжения);

- электрического  вентиля (непосредственно осуществляет  выпрямление переменного тока), бывают  полупроводниковые, вакуумные электронные, газоразрядные;

- сглаживающего  фильтра (уменьшает пульсацию выпрямленного  тока и напряжения на выходе  ВУ).

При выпрямлении переменного тока, в зав-ти от числа фаз сети, питающей ВУ, и характера нагрузки, а также требований для выпрямленного тока и напряжения, электрические вентили соединяются по различным схемам. При выпрямлении однофазного переменного тока простейшими схемами выпрямления является однополупериодная и двухполупериодная однотактные однофазные схемы. Однотактными выпрямительными схемами наз-ся такие схемы, при которых ток во вторичной обмотке трансформатора протекает только в одном направлении.

 

Схема однополупериодного выпрямителя:

 

 

 

 

 

При подаче переменного sin-идального напряжения на первичную обмотку трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки также будет переменным синусоидальным и будет равно U2=U2msinwt. Диод проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода будет иметь положительный потенциал. Поэтому ток в цепи – вторичная обмотка, диод и нагрузка – будет протекать только в одном направлении, то есть в течение одной половины периода переменного напряжения U2. В результате этого ток, протекающий в цепи нагрузки, оказывается пульсирующим. Максимальное значение тока:

Im=U2m/RH, где RH – сопротивление потребителя постоянного тока.

Кривая получаемого в процессе однополупериодного выпрямления пульсирующего тока может быть разложена в гармонический ряд Фурье:

i=Im(1/π+1/2 sinwt-2/3π∙1 cos2wt-…).

Пульсирующий ток, как видно из выражения, кроме переменных составляющих содержит также и постоянную I0=Im/π. Отсюда постоянная составляющая напряжения

U0=I0RH=Im/π ∙ RH=U2m/π.

Через действующее значение напряжения: U0=√2 ∙ U2/π.

Переменные составляющие характеризуют величину пульсаций тока и напряжения.

Для оценки пульсаций при какой-либо схеме выпрямления вводится понятие коэффициента пульсаций q, под которым понимается отношение амплитуды Am наиболее резко выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей Aв тока\напряжения в выходной цепи выпрямителя: q=Am/AB.

Для схемы однополупериодного выпрямителя: q=0.5Im/(1/π ∙ Im)=π/2.

В течение половины периода, когда анод диода имеет отрицательный относительно катода потенциал, диод тока не проводит. Напряжение, воспринимаемое диодом в непроводящий полупериод, называется обратным напряжением Uобр. Обратное напряжение на диоде будет определяться напряжением на вторичной обмотке. Максимальное значение напряжения Uобрm=U2m. Значит, вентиль надо выбирать так, чтобы [Umax обр]>=U2m.

Недостатки такой схемы выпрямления: большие пульсации выпрямленного тока и напряжения, а также плохое использование трансформатора, поскольку по его вторичной обмотке протекает ток только в течение половины периода. Такую установку используют в маломощных системах, когда выпрямленный ток мал.

 

16. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

 

 

 i1

 

i2

 

 

 

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U2 на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д1. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д2. Таким образом, диоды Д1 и Д2 будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=Im(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I0=2/π Im. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U0=2U2m/π=2√2 ∙ U2/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3π Im)/(2/π Im)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: Uобр.m=2U2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода      намагничивание сердечника будет отсутствовать      тепловые потери  . Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

 

17,18. Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

 

 

Выпрямитель           Нагрузка     Выпрямитель  Нагрузка

 

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра Сф (когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции eL=±L di/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

 

 

 

 

 

 

Г-образный фильтр     П-образный фильтр