Кроме того, намагничивание сердечника трансформатора тока в режиме разомкнутой вторичной обмотки при последующем его использовании из-за остаточного магнетизма может давать большие погрешности в измерениях, не соответствующие его калибровочным кривым.

Лекция 11. Электрические машины

Электрические машины предназначены для преобразования электрической энергии в механическую (двигатель), и наоборот, механическую энергию в электрическую (генератор).

Принцип действия электрических машин основан на использовании двух явлений:

1. Явление электромагнитной индукции. Заключается в наведении ЭДС в проводнике при движении его в магнитном поле (движется поле или проводник - все равно).

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки, и касается оно генератора.

e=B*U*l, где U - линейная скорость движения поля или проводника, l - длина проводника.

2. Электромеханическое взаимодействие проводника с током в магнитном поле.

B*I*l

Электромагнитная сила определяется по правилу левой руки. Данное явление касается двигателя.

Для электрических машин характерен принцип обратимости, т.е. любой генератор можно использовать как двигатель.

Асинхронные машины

Асинхронные машины - это машины переменного тока, которые в основном применяются в качестве двигателя.

Положительные черты:

- Наивысший коэффициент полезного действия.

- Простота конструкции.

- Высокая надежность.

- Низкие массогабаритные свойства.

Отрицательные черты:

- Сложность в регулировании частоты вращения.

Трехфазные асинхронные двигатели достигают мощностей 5 МВт. Если мощность АД< 1 кВт, его выполняют и однофазным.

Работа АД основана на использовании вращающегося магнитного поля.

Если

=-.

За счет поочередного наступления максимумов тока а так же сдвига катушек в проводнике образуется результирующее магнитное поле постоянной величины, вращающееся на плоскости.

Особенности вращающегося магнитного поля

1. Поле эквивалентно полю вращающегося двухполюсного магнита с полюсами S и N.

2. Частота вращения поля обозначается , [об/мин] и зависит от числа (частота) и пар полюсов р.

3. Вращение поля происходит в направлении чередования тока в обмотках статора.

4. Изменение направления вращения поля требует изменения порядка следования токов в катушках (поменять местами две любые фазы). Т. о. производится риверс в асинхронном двигателе.

Устройство трехфазных асинхронных двигателей. Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть - статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор (рис. 8.7) состоит из шихтованного магнитопровода (2), запрессованного в литую станину (1) . На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки (3). Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Начала и концы обмоток выводятся на наружную сторону станины, на клемную коробку. Начала фазных обмоток статора обозначаются заглавными буквами С₁, С₂, и С₃, а концы соответствующих фаз буквами С₄, С₅ и С₆.

Рис 8.7. Рис.8.8.

Фазы обмотки можно соединить по схеме ''звезда'' или "треугольник" в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 8.8) и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные, фазные иногда называются с контактными кольцами.

В микромашинах и машинах малой мощности чаще всего применяют короткозамкнутые роторы. В пазах таких роторов располагаются медные или алюминиевые стержни (2), соединяющиеся с торцов короткозамыкающими кольцами (1) и (3). Таким образом, обмотка короткозамкнутого ротора имеет вид беличьей клетки (рис. 8.9).

В асинхронных машинах большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы (рис. 8.10). В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов. Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные и пусковые реостаты (5).

Рис.8.9 Рис.8.10.

На рисунках 8.11 и 8.12 показаны в разобранном виде двигатели- короткозамкнутый и с контактными кольцами.

Рис. 8.11. Асинхронный двигатель короткозамкнутым ротором в разобранном виде.

а -- статор; 6 -- ротор; в -- подшипниковые щиты; г -- вентилятор; д -- отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха; е -- коробка, прикрывающая зажимы.

Рис. 8.12. Асинхронный двигатель с контактными кольцами в разобранном виде.

а -- статор; 6 -- ротор; в -- подшипниковые щиты; г -- вентилятор; д -- отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха; е -- коробка, прикрывающая зажимы; ж -- контактные кольца, з--щеткодержатели и щетки

Лекция 12. Принцип действия АД с к.з. ротором

В асинхронном двигателе обмотка статора играет роль обмотки возбуждения магнитного поля. После включения обмотки статора в сеть переменного тока протекающий в ней ток создает вращающееся магнитное поле с частотой .

Магнитный поток замыкается через статор, воздушный зазор и ротор. Пересекает проводники статора и ротора, индуцируя в них НДС: в статоре - НДС самоиндукции, в роторе - НДС взаимоиндукции (подобно первичной и вторичной обмотке в трансформаторе).

Через пол оборота направление изменяется на противоположное. Следовательно, направления НДС переменные во времени.

Реальная обмотка каждой фазы распределена по соседним фазам, поэтому максимальная ЭДС в витках наступает не одновременно, а со сдвигом фаз.

Для АД с к.з. ротором обмотка ротора замкнута накоротко, поэтому ЭДС взаимной индукции вызывает ток в обмотке ротора.

На проводники ротора с током, находящимся во вращающемся магнитном поле, действуют электромагнитные силы .

Совокупность всех сил проводников ротора создает электромагнитный момент , его направление совпадает с направлением вращающегося поля.

Если вращающийся момент АД больше момента сопротивления рабочей машины, ротор начинает вращаться в сторону вращения поля по закону J_У/9.55 , где Мс - момент сопротивления; Iсум - суммарный момент инерции механизма; n - частота вращения ротора.

Чем больше частота вращения ротора n, тем медленнее поля относительно ротора.

Дn=

s= скольжения.

Дn =>s=0

n=>s=1

Поведение двигателя описывается его характеристикой: механической и электромеханической.

Электромеханическая характеристика - это зависимость потребляемого тока, а d(ток статора от частоты скольжения).

- ток потребляемый, а d при n=0

- номинальный ток статора при (n=n, М=М)

- намагничивающий ток статора в режиме идеального холостого хода

При разгоне ток статора уменьшается. При пуске ток, а d характеризуется кратностью пускового тока к току номинального. Механическая характеристика - это зависимость частоты вращения ротора (скольжения) от момента двигателя. Характерные точки точка а - идеальный холостой ход (частота вращения поля n=n, точка b номинальный режим работы (;M=0;S=0), точка с - максимальный или критический момент (М=М, точка d (начало пуска) точкой пускового момента (n=0;s=1;m=m

Механическая характеристика а d описывается двумя параметрами - кратность пускового момента перезагрузочная способность двигателя или кратность максимального момента, если в момент пуска сопротивления меньше момента двигателя, двигатель начинает ускоряться производная больше 0 => n возрастает при этом ток Iуменьшается, момент двигателя сначала увеличивается, потом уменьшается до момента сопротивления. Разность М Часть характеристики от точки, а до точки с называется устойчивой частью (рабочая ветвь), точка с до точки d - не устойчивая (пусковая ветвь). Механическая характеристика описывается формулой Клосса

s

- Критическое скольжение (const); s-скольжение (var)

Коэффициент полезного действия P= механическая мощность (отдаваемая мощность двигателя) Р=3- электрическая мощность мощности потребляемая а d из сети номинальная активная мощность = Р

Р - номинальная механическая (отдаваемая) мощность

f - Частота сети, КПД, коэффициент мощности номинальный.

КП - каталожные данные двигателя. По этим данны м можно определить Р

Р=

- потребляемая активная мощность из сети.

S

- Потребляемая полная мощность а d из сети.

- Потребляемая реактивная мощность из сети.

- номинальная частота вращения ротора а d.

По каталожным данным также можно построить механическую характеристику S

Лекция 13. Электрические машины постоянного тока (МПТ)

Это машины преобразующие энергию источники постоянного тока в механическую и наоборот. К преимуществам относят "+", возможность с помощью относительно простых устройств обеспечивает плавные регулирования частоты вращения ротора. Недостатки, наличие щеточно коллекторного узла, который может искрить, отсюда низкая надежность.

Принцип действия основан на движении рамки в магнитном поле создаваемого большими полюсами N и S, расположенными на статоре. При подачи на счетчик щ и щ напряжение постоянного тока от источника А через рамку В, С, Д, Е расположенную на якоре (роторе) машины МПТ от точки в к точки е, протекает ток i проводника, следовательно на проводник с током в магнитном поле действуют электромагнитные силы совокупность создают электромагнитный вращающей момент при условии рабочей машины РМ рамка начинает вращаться (груз поднимается). При вращения якоря в рамке наводятся ЭДС, направленные в сторону противоположную движения тока.

УСТРОЙСТВО МПТ (МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА)

Машина постоянного тока конструктивно состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. Статор имеет станину, на внутренней поверхности которой крепятся магнитные полюсы с обмотками (рис. 7.1.6).

Ротор машины чаще называется якорем. Он состоит из вала, цилиндрического сердечника, обмотки и коллектора (рис. 7.1.7).

Магнитные полюсы и сердечник якоря набираются из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрываются изолированной бумагой или лаком для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Коллектор набирают из медных пластин, имеющих сложную форму (рис. 7.1.8). Пластины друг от друга изолированы специальной теплостойкой прокладкой. Такая же изоляция имеется между коллектором и валом двигателя. Набор коллекторных пластин образует, цилиндр-коллектор.

К внешней поверхности коллектора прилегают токосъемные щетки, которые выполнены из спрессованного медного и угольного порошка.

Щетка помещается в металлическую обойму и прижимается к коллектору пружинами (рис. 7.1.9).

ДПТ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО (НЕЗАВИСИМОГО) ВОЗБУЖДЕНИЯ

Обмотки, возбуждая подключение параллельно к якорной цепи, в которую входит пусковое сопротивление (R_n) и якорь (зажим Я₁ и Я₂). В обмотке возбуждения (ш - шутовая) Ш₁ и Ш₂ протекает ток возбуждения I_в. Создающий шаг потока на больших полюсах статора МПТ. В обмотке якоря протекает ток I_я , который вместе с током возбуждения образует потребляемый ток источника:

I_c = I_я + I _в

При неподвижном якоре скорость вращения равна нулю (n=0)? Следовательно, ЭДС (Е_я=0) тоже равно нулю. Поэтому для ограничения и I_я последовательно с ним, включая добавочное пусковое сопротивление R_n

I_{я пуск} = И / R_я + R_n

R_я = 0,1 (Ом) - внешнее сопротивление якоря.

При наличии магнитного потока ц, якорь начинает вращение n ? 0, следовательно Е_я тоже ? 0.

I_я = (И - Е_я) / (R_я + R_n)

М_э - М_с = I / 9,55 * d_n / d_t, где

I - момент инерции постоянного тока.

У двигателя НВ связывает частоту вращения n и момент М (механические характеристики) имеют следующий вид:

Механические характеристики при наличии напряжения сети И и тока возбуждения, а также отсутствие добавочного сопротивления в цепи якоря R_n называют естественной (прямая 1).

Она может строиться по любым двум точкам, так как М_э = М_с, для определения устанавливается частота вращения якоря, через точку заданную М_с = М_ном нужно провести вертикаль до пересечения и определить частоту вращения n ном. С увеличением момента сопротивления частота будет уменьшаться. Уменьшение частоты на естественной механической характеристике небольшое и составляет 3 - 5 %.

Механическую характеристику при наличии добавочных сопротивлений в цепи якоря называют искусственными или реостатными (прямые 2 и 3).

Точка n₀ соответствует идеальному ХХ и является общей для всех реостатных характеристик. Чем больше R_n,тем больше наклон механической характеристики или ее плоскости.

Каталожные ДАННЫЕ МПТ

P_ном=М*n/9,55 для ДПТ

P_ном=U_ном*I_ном

U_ном,I_ном

Ю_ном,n_ном

МОЩНОСТЬ,ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МПТ

P_ном=P_ном/Ю_ном=P_ном +?P_ном

?P_ном - суммарные потери МПТ в номинальном режиме работы. Состоит из потерь в обмотке воздействия, активных потерь в цепи якоря, механических потерь в подшипнике и механических добавлений потерь.

М_ном=9,55 *P_ном/n_ном

Лекция 14. Электроника

Область науки и техники, охватывающая изучение и применение электронных и ионных процессов (протекает в газах, жидкостях и твердых телах) , а так же на их границах.

1. Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые материалы объединяют обширный класс материалов с удельным сопротивлением 10⁸ - 10^-6 Ом * м. Наибольшее применение нашли кремний Si и германий Gе.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфора четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепловая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон теряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом, фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным; ионом. Такой полупроводник называется полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником n-типа, а соответствующая примесь - донорной. На рис. 10.1 приведено условное изображение идеального полупроводника n-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон - знаком минус.

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необходим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захватил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый неподвижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место расположения захваченного электрона. Далее на место вновь образовавшейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных дырок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, а соответствующая примесь -- акцепторной. На рис. 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

Хотя в обоих рассмотренных выше процессах участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения.

Свободные электроны и дырки возникают не только в полупроводниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводниках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи. Разрыв одной валентной связи в электрически нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары "электрон-дырка", изображенной условно на рис. 10.3. Этот процесс называется генерацией или термогенерацией, если источником энергии служит тепловая энергия. Одновременно протекает и обратный процесс - рекомбинация, т. е. восстановление валентной связи при встрече электрона и дырки.

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с донорной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников n-типа свободные электроны называются основными, а дырки - неосновными носителями заряда. Для полупроводника р-типа основными носителями заряда служат дырки, а неосновными -- электроны. В дальнейшем эти заряды будем называть сокращенно основными и неосновными носителями. Концентрация основных носителей, т. е. их число в 1 см³, обычно значительно превышает концентрацию неосновных носителей.

Если в однородном полупроводниковом стержне создать при помощи внешнего источника электрической энергии напряженность электрического поля о, то наряду с хаотическим (тепловым) движением электронов и дырок возникнет их упорядоченное движение (дрейф) в противоположных направлениях, т. е. электрический ток, называемый током проводимости:

I = I_n + I_p, (10.1)

где I_n и I_p -- электронная и дырочная составляющие тока.

За время свободного пробега среднего расстояния l_ср между атомами полупроводника подвижные носители зарядов приобретают кинетическую энергию

W = e l_cp E. (10.2)

Этой энергии при напряженности электрического поля E > 6 МВ/м достаточно для ударного возбуждения атомов полупроводника, т. е. разрыва в них валентных связей и рождения пары "электрон-дырка". Происходит резкое увеличение числа подвижных носителей заряда и, следовательно, удельной проводимости полупроводника. Описанное явление называется лавинным пробоем. Лавинный пробой обратим. Свойства полупроводника восстанавливаются при уменьшении напряженности электрического поля. Этим лавинный пробой отличается от теплового пробоя. Последний наступает за лавинным пробоем при дальнейшем увеличении напряженности электрического поля и вызывает разрушение полупроводника.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

В полупроводниковых диодах используется свойство р-п перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо -- в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями.

По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами спавления пластин р- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом р-п переход создается на значительной площади (до 1000мм²). В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм². Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10--20 мА.

По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. На рис. 10.11 приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика. Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному Кат. выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток I_пр и соответствующее ему прямое напряжение U_пр , допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр, допустимая мощность рассеяния Р_рас и допустимая температура окружающей среды (до 50°С для германиевых и до 140^оС для кремниевых диодов).

Вследствие большой площади р-п перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением (рис. 10.12, а) достигает 1Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 10.12, б) с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.

Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) р-п перехода при определенных значениях обратного напряжения U_обр = U_проб (рис. 10.13, а). На рис. 10.13, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки r_н. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора U_вх > U_проб(r_н + r)/r_н напряжение между выходными выводами U_вых U_проб изменяется незначительно.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаимодействия двух близко расположенных р-п переходов. Различают плоскостные и точечные биполярные транзисторы. Переходы в точечных биполярных транзисторах имеют малую площадь и аналогичны по конструкции переходам в точечных диодах. Такие транзисторы не получили существенного распространения.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру типа п-р-п (рис. 10.14) и типа р-п-р. На рис. 10.15, а и б даны условные изображения этих транзисторов. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой -- коллектором К, а другой крайний слой -- эмиттером Э. Каждый слой имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1) активный режим, в котором переход эмиттер-база включен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном;

2) инверсный режим, в котором переход эмиттер-база включен в обратном направлении, а переход коллектор-база - в прямом;

3) режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении;

4) режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении.

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При подключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е_Э= -U_ЭБ к базе потенциальный барьер р-n перехода (п-р-п транзистор на рис. 10.14) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток I_Э в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е_К=U_КБ отрицательным полюсом к базе, то увеличивается потенциальный барьер р-п перехода между базой и коллектором. Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью о_КБ этого р-п перехода, образуя ток I_К в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор--база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС Е_К (см. рис. 10.4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения U_КБ ? 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток I_Б в цепи базы.

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Для усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Последнюю рассмотрим более подробно, так как она наиболее распространена (рис. 10.16).

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определяют статическими коллекторами I_К(U_КЭ)_IБ = const (рис. 10.17, а) и базовыми I_Б(U_БЭ)_UКЭ = const (рис. 10.17, б) характеристиками. Область рабочих режимов транзистора на его коллекторных характеристиках ограничена максимально допустимыми значениями тока I_Кmax, напряжения U_Кэmax и мощности рассеяния P_{рас max} ? U_КЭI_К, а также нелинейными искажениями при малых значениях тока коллектора.

Основное достоинство биполярных транзисторов -- высокое быстродействие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 А. Основной недостаток - относительно небольшие сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (1--10 кОм), и плотность размещения при производстве интегральных микросхем.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Различают полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и на основе конструкции металл-диэлектрик-полупроводник или МДП -транзисторы.

А. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом (рис. 10.19).

Между двумя электродами, называемыми истоком И и стоком С. расположен n-канал из полупроводника n-типа. Если между истоком и стоком включен источник с ЭДС Е_С положительным полюсом к стоку, то в n-канале есть ток проводимости (10.1), значение которого зависит от сопротивления канала. В свою очередь сопротивление n-канала зависит от его ширины, которую в полевых транзисторах можно изменять. Для этого между третьим электродом, называемым затвором 3, и истоком включен источник ЭДС Е_З отрицательным полюсом к затвору, так что р-п переход между n-каналом и полупроводником р-типа, который находится у затвора, включен в обратном направлении. Ширина обедненного подвижными носителями р-п перехода влияет на ширину n-канала и тем самым на его проводимость. Отметим, что вместо n-канала может быть р-канал из полупроводника р-типа, а затвор - из полупроводника n-типа.

Работу полевого транзистора с управляющим р-п переходом определяют статические стоковые I_С(U_СИ)_UЗИ = const (рис. 10. 20, а) стоко-затворные I_С(U_ЗИ)_UСИ = const (рис. 10. 20, б) характеристики.

В рассмотренном случае (рис. 10.19) полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). Возможно включение полевого транзистора также по схеме с общим стоком (ОС) и общим затвором (О3). Однако две последние разновидности схем включения применяются редко и здесь не будут рассматриваться.

Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, МДП-транзисторов с индуцированным каналом и МДП-транзисторов со встроенным каналом приведены соответственно на позициях 1-3 рис. 10.25, а для канала n-типа и рис. 10.25, б для канала р-типа.

Основные достоинства полевых транзисторов -- большое сопротивление входной цепи (1--10 МОм) и технологичность при производстве интегральных микросхем с большой плотностью размещения элементов. Основной недостаток - относительно невысокое быстродействие.

ТИРИСТОРЫ

Тиристор - полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными р-п переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников р- и n-типов (рис. 10.26).

Различают управляемые, или триодные, и неуправляемые, или диодные, тиристоры.

Триодный тиристор кроме анодного и катодного выводов имеет еще вывод управляющего электрода УЭ. Последний подключается либо к ближайшей к катоду р-области, либо к ближайшей к аноду n-области. В соответствии с этим различают катодное и анодное управление тиристором. Первое подключение более распространено. Структура тиристора с катодным управлением, его условное изображение и ВАХ приведены на рис. 10.28. При изменении напряжения управления Uуп изменяется и напряжение включения тиристора Uвкл. Следовательно, его можно использовать как управляемый ключ.

Для запирания триодного тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля.

Типовая конструкция триодного тиристора большой мощности приведена на рис. 10.29, где 1 - основание из меди; 2 - трубка из стали со стеклоизолятором; 3, 4 - четырехстопная структура р-п-р-п с припаянными к ней вольфрамовыми дисками 5 и б; 7,8 -- стержневые выводы катода и управляющего электрода соответственно, которые через переходные втулки 9 соединяются с гибкими наружными выводами.

Основная область применения тиристоров -- преобразовательная техника. Номинальные значения токов у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии -- до 5000 В.

Лекция 15. Выпрямители. Классификация

По своим функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три грунпы: преобразовательные, в том числе выпрямительные; усилительные и импульсные, в том числе логические.

Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока -- преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. При помощи импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необходимую временную программу, а вторые -- необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления.

Отметим, что деление полупроводниковых устройств по их функциональному назначению в известной степени условно. Реальные полупроводниковые устройства часто содержат элементы нескольких групп, а также генераторы синусоидальных колебаний, стабилизаторы напряжения и т. п.

2. Источники вторичного электропитания - выпрямители

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис, 10.33) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

В дальнейшем вместо термина "выпрямительное устройство" будем пользоваться сокращенным -- "выпрямитель". По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническому решению - с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения - неуправляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для выпрямления синусоидального напряжения включаются диоды, т. е. неуправляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения -- обычно емкостные фильтры.

Для упрощения расчетов примем, что приемник представляет собой резистивный двухполюсник с сопротивлением нагрузки, а диоды -- идеальные ключи, т. в. реализуют короткое замыкание цепи для тока в прямом направлении (R_VD = 0) и ее разрыв для тока в обратном направлении (R_VD = ?).

А. Однофазные выпрямители.

R_VD = 0

R_VD = ?

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

[0;:

VD- открыт, R_VD =0

U_H = U₂ i_H =

U_VD = I_H R_VD = 0

[0; 2]:

VD - закрыт; R_VD = ?

i_H = = 0 U_H = R_H*i_H = 0

U_VD = U₂ -iR_H = U₂

Среднее значение выпрямленного напряжения

Ucp = U₀ =

Uсрн = Uон = = 0,318U_2m = 0,45U₂

Icp_H = = 0,318

U_{обр max} = U_2m = U₂

I _{ср пр VD} = I_{ср н}

1-фазная 2-полупериодная схема выпрямления с нулевым выводом

В однофазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора приемник подключается к выводу от середины вторичной обмотки трансформатора (рис. 10.34). Рассмотрим сначала работу выпрямителя вез сглаживающего фильтра (ключ К разомкнут). бели в каждой половине вторичной обмотки с числом витков wb считать положительным то направление тока, при котором соответствующий диод открыт, то ток в каждой половине обмотки и в каждом диоде будет синусоидальным в течение положительного (для этой половины) полупериода и равным нулю в течение отрицательного полупериода (рис. 10.35, д). В приемнике положительные направления обоих токов совпадают, т.е. i_н = i₁ + i₂, (рис. 10.35, 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. 34 Рис. 10. 35

[0;:

VD1- открыт; VD2 - закрыт

U_H = U₂₁; i_H = ; R_VD1 = 0;

U_VD1 = i_H = R_VD1 = 0

U_VD2 = (U₂₁ + U₂₂) - i_HR_VD1 = 2U₂₁

[0; 2]:

VD1-закрыт; VD2 - открыт;

U_H = U₂₂; I_H= ; R_VD2= 0

U_VD2 = i_HR_VD2 = 0

U_VD1 = (U₂₁ + U₂₂) - i_HR_VD2 = 2U₂₂

Uсрн =

I_CPH = = 0,636 = 0,9

U _{обр max} = 2U_2max = 2

Выбор диодов

I_{пр доп} K_ЗI_{ср пр VD}

U_{обр доп обр max}

K_З = 1,3~1,5

В момент времени 0, , 2… происходит естественное запирание полупроводников. Эти моменты называются точками естественной коммутации.

1- фазная 2-полуперидная мостовая схема выпрямления

В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 10.38) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i₁, а другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i₂, а первые два диода заперты (рис. 10.39, а). Для мостовой схемы справедливы все полученные выше соотношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрямленный i_н = i₁ + i₂ (рис. 10.39, б), а ток источника i = i₁ - i₂ синусоидальный (рис. 10.39, а).

[0;:

VD1, VD4 - откр.

VD2, VD3 - закр.

U_H = U_2; i_H = ; U_VD1 = i_HR_VD1 = 0

U_VD1 = U₂

[0; 2]:

VD2, VD3 - открыт.

VD1, VD4 - закрыт.

U_H = U_2; i_H = ; U_VD2 = i_HR_VD2 =0

U_VD1 = U₂

U_срн = = 0,636 U_2max = 0,9U₂

Iсрн = = 0,636 = 0,1

Для выбора диодов

U_{обр max} = U_2max = U₂

I_{ср пр VD} = 0,5 I_ср.н

3 - фазная схема выпрямления с нулевым выводом

На рис 10.40 показана схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. В каждый данный момент времени ток проводит только тот диод, анод которого соединен с выводом той вторичной обмотки трехфазного трансформатора (a, b или с), напряжение на которой (u_a, u_b или u_с) положительное и наибольшее (рис. 10.41, а).

- точки естественной коммутации.

30° + 120° * n.

[]: VD1 - открытый; VD2, VD3 - закрытый.

;

[]: VD2 - открытый; VD1, VD3 - закрытый.

;

[]: VD3 - открытый; VD2, VD1 - закрытый.

;

* .

Трехфазная мостовая схема выпрямления

В трехфазной мостовой схеме выпрямителя нулевой вывод вторичной обмотки трехфазного трансформатора не нужен, поэтому его вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником или, если позволяют условия работы трехфазный трансформатор может вообще отсутствовать. При отсутствии трехфазного трансформатора выпрямитель подключается к трехфазному источнику, например, как показано на рис. 10.42. Половина диодов выпрямителя (VD₁, VD₃ и VD₅) образует группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины диодов (VD₂,, VD₄ и VD₆) соединены все анодные выводы

- точки естественной коммутации.

30° + 60° * n.

[]:

VD1, VD4 - открытый;

VD2, VD3, VD5, VD6 - закрытый и т.д.

(каждый - треть периода)

* .

Из всех схем наилучшей является трехфазная мостовая, на выходе среднее значение напряжения наибольшее, пульсации - наименьшее.

Лекция 16. Сглаживающие фильтры

Назначение фильтра состоит в том, чтобы, пропуская на выход постоянную составляющую максимально ослабить переменную составляющую (пульсации).

Внешней характеристика выпрямителя с фильтром

Из внешней характеристики выпрямителя с емкостным фильтром видно, что эффект фильтра с ростом нагрузки уменьшается. Тогда, при больших токах сглаживание может быть достигнуто применением индуктивного фильтра.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения в пульсирующее в одной полярности с возможностью регулирования среднего значения выходного напряжения.

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) подает на управляющий электрод тиристоров VS1-VS4 кратковременные импульсы у управления VS1-VS4, тем самым открывая их, сдвинув по фазе импульсы управления, изменяется время подключения нагрузки. Таким образом, придерживая на открывание тиристоры на время, соответствующее углу управления из напряжения, подаваемого в нагрузку, вырезается часть напряжения, соответствующая . Следовательно, напряжение на нагрузке уменьшается, угол отсчитывается от точки естественной коммутации и изменяется в пределах от 0° до 180°.

:

:

.

Выбор тиристора

Аналогично диоду (, ).

Размещено на Allbest.ru

...