Реферат: Выходные устройства управления выпрямительно-инверторными преобразователями

МПС РФ

Вологодский заочный техникум

железнодорожноготранспорта

студента 4-го курса заочного

отделенияВологодского техникума

Железнодорожноготранспорта

г.ВОЛОГДА 2001 год

Конструкция, принцип действия и схемывключения

полевых транзисторов.

В последнее время все большее распространениеполучают полевые (униполярные) транзисторы благодаря некоторым преимуществампо сравнению с биполярными. Полевые транзисторы имеют большие входные ивыходные сопротивления и меньшую крутизну проходной характеристики. Полевымназывают такой транзистор, в котором ток канала управляется полем, возникающимпри приложении напряжения между затвором и истоком.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р—п-переходоми с изолированным затвором. В свою очередь транзисторы с изолированным затворомделятся на МДП-трапзисторы, у которых затвор отделен от канала диэлектриком(металл—диэлектрик—полупроводник), и МОП -транзисторы, у которых затворотделен от канала тонким слоем окиси кремния. МДП-транзисторы подразделяются натранзисторы со встроенным и индуцированным каналами. В зависимости от знаканосителей зарядов каналы могут быть р- или n-типа. Электрод, черезкоторый в канал инжектируются носители заряда, называют истоком, аэлектрод, служащий для носителей заряда из канала,— стоком. Электрод,через который сообщается управляющий потенциал, называется затвором.МДП-транзисторы имеют четыре вывода; четвертый вывод—подложка.

Полевыетранзисторы с управляемым р-n-переходом состоят из кремниевой пластины, по концам которой имеются выводы, а впластине методом диффузии образован канал — тончайший слой с дырочной проводимостью. По краям канала методомдиффузии образованы более массивные участки с дырочной проводимостью. Такимобразом, на поверхности канала с противоположных сторон формируются р-n-переходы,расположенные параллельно направлению тока. Каналом принято называтьобласть в полупроводнике, в которой ток носителей заряда регулируетсяизменением ее площади поперечного сечения.

При подключении к истоку положительного, а к стоку отрицательногонапряжений в канале возникает электрический ток, создаваемый движением «дырок»от истока к стоку. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочногоперехода (а не через переходы, как в биполярных транзисторах) являетсяхарактерной особенностью полевого транзистора. С увеличением потенциала растетразность потенциалов между каналом и затвором, что вызывает увеличение толщинызапорных слоев р- n-переходов и сужение сеченияканала. При достижении напряжения насыщения Ucuнаснаступает перекрытие каналаи рост тока ICпрекращается .

При работе транзистора в режиме насыщения принцип переноса носителейзарядов в области смыкания запорных слоев подобен инжекции носителей из базы взапорный слой обратносмещенного коллекторного перехода у биполярныхтранзисторов. Поэтому при дальнейшем повышении Ucu до Ucuнас рост тока прекращается, что соответствуетгоризонтальному участку кривых на графике вольт-амперных характеристиктранзистора. Вертикальные участки выходных вольт-амперных характеристиксоответствуют пробою. В полевых транзисторах с изолированным затвором (см. рис.1, б, в) последний отделен от канала тонким изолирующим слоем окиси кремнияили другого диэлектрика. Подложкой прибора служит кремний толщиной около 0,2мм.

В зависимости от полярности напряжения,прикладываемого между затвором и истоком Uзu, транзистор может работатьв режиме обеднения или обогащения канала основными носителями заряда. Отсюдаканалы транзисторов с МОП-структурой по физическим свойствам разделяются навстроенные (обедненный тип) и индуцированные (обогащенный тип). При подаче назатвор положительного потенциала относительно истока (при канале р-типа)проводимость канала ухудшается, а при отрицательном потенциале на затворе улучшается.Поэтому, изменяя полярность и значение напряжения UЗU, можноизменять проводимость канала, а следовательно, U ток стока Iс при Uси= const. При некоторомположительном напряжении Uзuтранзистора с р-каналом илиотрицательном Uзи для транзистора с n-каналом ток в цепи стокапрекращается. Если на затворе нет напряжения, то ток между стоком и истокомочень мал, и, наоборот, если подать на затвор транзистора с р-каналомотрицательное напряжение или положительное для транзистора с n-каналом поотношению к истоку, то ток между стоком и истоком будет расти.

Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют следующие схемывключения: схема с общим истоком и входом на затвор; схема с общим стоком ивходом на затвор; схема с общим затвором и входом на исток. Основнымидостоинствами полевых транзисторов является большое входное сопротивление,почти полное разделение входного и выходного сигналов, малый уровень шумов, иобразование рабочего тока только основными носителями зарядов.

Маркировка полевых транзисторов аналогична тем обозначениям, которыеприменяются для биполярных транзисторов. Например, полевой транзистор КПЗОЗАрасшифровывается так: К — кремниевый, П — полевой общего назначения, 3—малоймощности, 03—номер разработки, А — группа.

Полевые транзисторы используют в тех случаях, гдераньше применялись электронные лампы, например в усилителях постоянного тока,с высокоомным входом, в RС-генераторах синусоидальных колебаний и пилообразныхнапряжений, в усилителях низкой частоты и в других устройствах. Прииспользовании полевых транзисторов в электрических схемах необходимо учитыватьрекомендации, которые имеются в справочной литературе и техническом паспорте.Хранить транзисторы с изолированным затвором следует с закороченными выводами,производить пайку с заземлением паяльника, места пайки и рук монтажника.

<img src="/cache/referats/23241/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1027"> АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ.

НАЗНАЧЕНИЕ,ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ.

Общие сведения.В зависимости отфункционального назначения интегральные схемы делятся на две основные группы:аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС применяются в тех случаях, когда требуетсяпреобразование или обработка сигналов, изменяющихся по закону непрерывнойфункции. В любой аналоговой (линейной) схеме содержится большое числоразнообразных неповторяющихся функциональных элементов, поэтому для ихизготовления применяется гибридная технология. Современные линейные ИС содержатдо 300 элементов в одном кристалле, в том числе маломощные п—р—п- и р—п—структуры,мощные п—р—п-транзисторы, МДП структуры, конденсаторы и резисторыбольших номиналов, стабилитроны и другие элементы.

В настоящее время линейные интегральные схемы выпускаются самогоразнообразного функционального назначения: дифференциальные усилители,усилители низких частот, узкополосные и широкополосные усилители, усилителипромежуточных частот, видеоусилители, стабилизаторы, усилители мощности,операционные усилители и т. д. Аналоговые ИС выпускаются в виде серий,выполняющих различные функции, но имеющие единое конструктивно-технологическоеисполнение и предназначенные для совместной работы.

Поэтому эти схемы имеют одинаковые напряжения питания, согласованы повходным и выходным сопротивлениям и по уровням сигналов. Наибольшее применениев автоматических устройствах и в устройствах автоматического регулирования иуправления нашли дифференциальные усилители, усилители низкой частоты иоперационные усилители.

Дифференциальные усилители.В тех случаях, когданеобходимо сравнить несколько входных сигналов, получив на выходе разностныйсигнал, используют дифференциальныеусилители. Дифференциальный усилитель (рис. 1) повторителя содержит дваэмиттерных и управляемый источник тока.Если на входы 1 и 7 подать дванапряжения, то их разность усиливается и между выводами 8 и 9появляется напряжение, линейно зависящее от разности напряжений на входах. Приподаче на вход одинаковых напряжений разность между ними будет равна нулю и,следовательно, на выходе сигнал тоже будет равен нулю независимо откоэффициента усиления схемы.

Усилители низкой частоты.УНЧ применяют как дляусиления звуковых частот, так и для усиления различного рода сигналов.Выполняются усилители с выходной мощностью от сотен милливатт до 20 Вт и выше.УНЧ характеризуются следующими параметрами:

диапазонрабочих частот от 1 Гц до 100 кГц; коэффициент усиления ky=300— 500; входное сопротивление от 10кОм до 10МОм; выходное сопротивление100—5000 Ом и потребляемая мощность 10— 100 мВт. Схема простейшего предварительногоусилителя низкой частоты представлена на рис. 2. Она содержит двухкаскадныйвходной усилитель на транзисторах VI и V2 с внешними нагрузками ицепями смещения (выводы 8—10) и двухкаскадный выходной усилитель натранзисторах V3и V5с внешней обратной связьючерез транзистор V4(вывод 4). Необходимое смещение натранзисторе обеспечивают диоды V6—V9.В современных усилителяхширокое применение получили р—п—р-структуры, имеющие при малых токахсмещения достаточно высокий коэффициент усиления (30—80).

Операционные усилители.Раньше операционныеусилители использовали в аналоговых ЭВМ для выполнения чисто математическихопераций, таких, как суммирование, вычитание, дифференцирование иинтегрирование. В настоящее время операционные усилители благодаря ихмногофункциональности нашли широкое применение в системах автоматическогорегулирования и управления подвижным составом. Основными достоинствами операционногоусилителя являются высокий коэффициент усиления (400— 50 000 и выше) и точнаярегулировка усиления с помощью внешних резисторов и конденсаторов (рис 3).Операционный усилитель, схема которого приведена на рис. 3, состоит извходного дифференциального усилителя, промежуточного и выходного каскадов. Дляобеспечения большого входного сопротивления и малого входного тока транзисторыVI и V2первого каскада работают при очень малых токах коллектора—около20 мкА. Через транзистор V8подается питание на входнойкаскад. Второй каскад состоит из двух групп транзисторов V3,V5и V4, V6.Такое включениеспособствует лучшему согласованию между первым и вторым каскадами примаксимальном усилении. Транзистор V9предназначен длясогласования второго каскада с третьим, а вместе с резистором R11и транзистором VI 0служит для изменения уровня постоянного напряжения. Для создания обратной связив усилителе служит резистор R13.Выходной каскад усилителясоставляют транзисторы V12и VI3.Конструктивно микросхема выполненав круглом металлостеклянном корпусе. Но более мощные схемы выполняют впрямоугольных или пластмассовых корпусах с теплоотводами.

<img src="/cache/referats/23241/image009.gif" " v:shapes="_x0000_s1028">
Принцип действия и схемыблокинг-генераторов.

Общие сведения.Блокинг-генераторы — этооднокаскадные усилители с трансформаторной положительной обратной связью. Онииспользуются для генерирования мощных импульсов почти прямоугольной формы сбольшой скважностью. Обратная связь в схеме осуществляется с помощьюимпульсного трансформатора. Существует два вида блокинг-генераторов: ждущие исамовозбуждающиеся (рис. 1). Обратнаясвязь осуществляется обмоткой Wб,включенной в цепь базытранзистора. В эту же цепь включены формирующий конденсатор Сб ирезистор смещения Rб.Нагрузка Кнподключена последовательно с сопротивлением Rк,либо к обмотке Wн, какпоказано на рис. 1, а. В последнем случае сопротивление Rкможно не подключать.

Работа блокинг-генератора в самовозбуждающемся режиме.При подключенииблокинг-генератора к источнику питания в цепи транзистора появится ток jк. В обмоткеWбнаводится э.д.с.,которая передается на базу транзистора и понижает ее потенциал (рис. 1, д).Это приводит к росту тока базы (рис. 1, е) и к дальнейшему росту тока коллектора.Транзистор открывается полностью и переходит в режим насыщения.

В интервале t1— t2происходит формированиепереднего фронта импульса tф. В интервале t2— t3происходит рассасывание неосновных носителейв транзисторе, накопленных в базе, которое обусловливает процесс зарядаконденсатора С током базы. Длительность процесса заряда конденсатора определяетдлительность вершины импульса. В интервале t2— t4происходитполный заряд конденсатора и к базе транзистора подводится положительноенапряжение, которое и выводит транзистор из режима насыщения. При этомначинает спадать ток базы, вызывая уменьшение тока коллектора. Уменьшение токаjkприводит к возникновению э.д.с. в обмотке Wбположительной полярности, которая еще больше способствует запираниютранзистора. К моменту t4ток jk достигает нуля, транзисторзакры-

ваетсяполностью, а потенциал на коллекторе достигает напряжения источника — Ек.На этом процесс формирования заднего фронта импульса заканчивается.

После полного запирания транзистора в интервале t4—t5 начинаетсяразряд конденсатора через резистор Rби обмотку Wб.По мере разряда конденсатора напряжение на базе транзистора снижается и кмоменту t5 ,достигает такого значения, при котором транзисторотпирается. При этом происходит повторение лавинообразного роста тока в цепяхбазы и коллектора. Длительность выходных импульсов tuзависитот скорости заряда конденсатора Сб , которая определяется постояннойвремени <img src="/cache/referats/23241/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1027">3 =RбэСб.Период повторения импульсов Т определяется временем разрядаконденсатора С через резистор Rб,при запертом транзисторе,т. е. постоянной времени разряда <img src="/cache/referats/23241/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1028">p=PбCб. Длительностьимпульсов регулируют изменением емкостиконденсатора.

Работа блокинг-генератора в ждущем режиме.Блокинг-генератор в ждущемрежиме используется для формирования выходного сигнала в том случае, когда навход подается запускающий сигнал. При отсутствии запускающих импульсов схемаблокинг-генератора находится в исходном состоянии и выходных импульсов негенерирует. В качестве блокинг-генератора, работающего в ждущем режиме, можноиспользовать ранее рассмотренный, дополнив его источником смещения Есм, подключивк резистору Rб.Но так как в схеме ждущего блокинг-генератора нетребуется определять длительность паузы между импульсами, а необходима толькодлительность импульса, то конденсатор С и резистор Rбв схеме не нужны. Допоступления входного сигнала на обмотку Wвх (рис. 2) транзисторзаперт напряжением смещения, которое подается на базу транзистора. При подачевходного импульса Uвх на обмотку импульсного трансформатора в остальныхобмотках наводится э. д. с.,которая способствует открытию транзистора, а следовательно, и появлениювыходного импульса. После прекращения подачи входного импульса происходитперемагничивание сердечника трансформатора и уменьшение тока базы. Когда токбазы станет равным нулю, транзистор закроется и схема примет исходноеположение до подачи следующего импульса.

Выходные устройства управления выпрямительно-инверторнымипреобразователями (ВИП).

Одним из важнейших условийнормальной работы тиристоров в выпрямительном блоке является подача на его управляющийэлектрод импульсов, строго определенных по току и напряжению, а также покрутизне нарастания тока, равной 0,2 —1,0 А/мкс. Длительность управляющего импульсадолжна быть такой, чтобы за время его действия анодный ток тиристора достигзначений тока удержания. Недостаточная длительность импульса может привести ктому, что нормальная работа тиристорного преобразователя окажется невозможной.Форма управляющего импульса должна иметькрутой фронт и длительность импульса700—1200 мкс (рис. 1).

Для выполнения нужных требований получаетсядостаточно сложная схема, которая бы обеспечила нормальную работу параллельнои последовательно включенных тиристоров. Структурная схема блока формированияуправляющих импульсов, применяемая на локомотивах переменного тока,представлена на рис. 2. Формирователь импульсов ФИ состоит из блоковпредварительного усиления выходных усилителей ВК.1 — ВК,3 иимпульсных трансформаторов ИТ1 — ИТЗ.

Блок предварительного усилителя выполняет одновременно функциимножителя импульсов и питается напряжением 55 В от зажимов 1 и 2 (рис.3). На вход усилителя поступают импульсы управления в соответствии с алгоритмомуправления и, проходя через цепи помехоподавления, подаются на базу транзистораV14.Транзистор открывается и ток от плюса источникапитания по проводу 7, через первичную обмотку HI— К.1межкаскадноготрансформатора, коллектор и эмиттер транзистора V14, диоды V7— V9проходит на «—» источника питания. При этом вовсех пяти вторичных обмотках трансформатора образуются усиленные импульсы,длительность которых определяется временем насыщения сердечникатрансформатора. Сигналы с обмоток Н4—К4, Н5—К.5 и Н6 — Кбпоступают на входы выходных усилителей для дальнейшего усиления, а импульс собмотки НЗ — КЗ образует положительную обратную связь, подавая сигнална базу транзистора. Сигнал обмотки Н2 — К2 поступает на вход черезрезистор R9, стабилитрон V12,диод V5на управляющий электродтиристора V15, открывая его. При этом транзистор V14закрывается и происходит отсечка управляющего импульса, укорачивая его. Этоособенно необходимо в режиме инвертирования, чтобы предотвратить срыв работыпреобразователя при слишком длительном импульсе управления.

Блок выходных усилителей (рис. 4) выполняет функцию конечногоусилителя. Рассмотрим работу одного из трех выходных усилителей ВК1 — ВКЗ(см. рис. 2). Сигнал, поступающий со вторичной обмотки усилительноготрансформатора (например, с обмотки Н6 — К6, (см.рис. 3). по проводу 48,проходит через ограничивающие резисторы R2и R3(см. рис. 4), подается набазы транзисторов V8, V9,открывая их. Перед этимпроисходит заряд конденсатора С1 от источника постоянного тока по цепи:зажим 49, резистор R1,конденсатор С1, диодV8 и «—» источника. После открытия транзисторов V8, V9 происходитразряд конденсатора С/ на первичную обмотку трансформатора ИТ2 (рис. 5, а)по цепи: диод V2(см. рис. 4), транзисторы V8, V9, диоды V5,V6,зажим 12, обмотка К.1 — HI(см. рис. 5, а) и конденсатор (см. рис. 4). С1. При этом на вторичнойобмотке ИТ2 образуется короткий импульс с крутым передним фронтом (рис.5, г). Одновременно с образованием короткого импульса происходитформирование более длинного импульса, но менее крутого (рис. 5, в) поцепи:

зажимы49, 9 (см. рис. 4), обмотка H1 — К.1трансформатора ИТ1,транзисторы V8, V9(см. рис. 5а), диоды V5,V6,зажим 2.

Во вторичных обмотках трансформаторов ИТ1 и ИТ2после разряда конденсаторов С1 и С2 ), происходитсложение двух импульсов (широкого и узкого), вследствие чего на выходеобразуется импульс необходимой формы и параметров (рис. 5 д). Этотимпульс поступает на управляющий электрод силового тиристора или группытиристоров.

Список использованной литературы.

1.<span Times New Roman"">

Бервинов В.И.Электроника, микроэлектроника и автоматика на

железнодорожном транспорте. Москва.Транспорт, 1987.

2. Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электроники для локомотивных

бригад.Москва. Транспорт, 1983.

3. Розанов В.К. Основы силовойпреобразовательной техники.

Москва. Энергия. 1979

4. Криштафович А.К. Трифонюк В.В. Основы промышленнойэлектроники.

Москва. Высшая школа. 1985.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике