Промышленная электроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

РХТУ им. Д. И. Менделеева

Кафедра электротехники и электроники

Курсовая работа

по промышленной электронике

Выполнила студентка группы О-23

Irma Dyon

Москва 2006

1. Полупроводниковый «p-n» - переход и его свойства

К полупроводникам относятся вещества, обладающие электрическими свойствами, промежуточными между свойствами металлов и диэлектриков. В полупроводниковых приборах прохождение тока обусловлено электронными явлениями, происходящими в материале полупроводника.

Электрические свойства полупроводниковых материалов определяются валентными электронами, а не прочно связанными с ядрами (участвующими в создании электропроводности) электронами. Поэтому при изучении свойств полупроводников представляют интерес те энергетические зоны, в которых располагаются валентные электроны, и те, в которые эти электроны могут переходить при увеличении их энергии.

При воздействии внешнего электрического поля на полупроводник создаётся 2 вида проводимости:

- типа n в зоне проводимости (обусл. движением полусвободных и свободных электронов);

- типа p в зоне заполнения (обусл. движением дырок).

При этом носители положительного заряда - дырки - перемещаются к отрицательно заряженному полюсу, а электроны - к положительно заряженному полюсу источника электрического поля. Указанная проводимость - собственная проводимость, которая обычно невелика.

Введение незначительного количества инородных примесей значительно увеличивает электрическую проводимость полупроводника. При этом оказывается, что в зависимости от рода примеси можно получить проводимость как типа n, так и типа p.

n: з>>p (концентрация), основные носители - з, небольшое количество p (р-дырки).

р: р>>з, основные носители - р, небольшое количество з.

цn=0

В результате соприкосновения вблизи границы полупроводников создаётся слой, лишённый основных носителей заряда и вследствие этого обладающий значительным сопротивлением R («запирающий слой»). Вследствие этого при соприкосновении полупроводников часть з, обладающих большей энергией, из области n будет диффундировать через пограничный p-n слой и рекомбинировать с дырками в р-области. Диффузия дырок в n-область - аналогично.

Тогда контактный слой полупроводника типа n оказывается обеднённым электронами и приобретает объёмный положительный заряд. Аналогично р принимает объёмный отрицательный заряд.

В области соприкосновения в полупроводнике типа р создаётся слой отрицательных неподвижных зарядов, а в n - слой положительных неподвижных зарядов, и на границе p-n-перехода образуется двойной запирающий слой (потенциальный барьер). Вследствие этого создаётся разность потенциалов Uзап запирающего слоя (контактная), препятствующая перемещению основных носителей.

Но это поле не является препятствием для неосновных носителей. Наоборот, оно способствует передвижению этих носителей заряда через p-n-переход, что несколько снижает потенциальный барьер, создаваемый запорным слоем. Средний ток через р-переход равен 0 (динамическое равновесие).

Включение p-n-перехода под прямое напряжение:

Полярность внешнего напряжения: - - к n, + - к р. Полярность приложенного напряжения обратна полярности Uзап.

Внешнее напряжение компенсирует запорный слой основные носители заряда приближаются к p-n-переходу, заполняют запирающий слой и уменьшают его толщину R , во внешней цепи появляется ток I (прямой ток, прямое напряжение).

Uвнеш R I .

Включение p-n-перехода под обратное напряжение:

Полярность внешнего напряжения: + - к n, - - к р. Полярность приложенного напряжения соответствует полярности Uзап.

Разность потенциалов р-n-перехода увеличивается основные носители заряда от пограничного удаляются от запирающего слоя и увеличивают его толщину R I (обратный ток, обратное напряжение). Обратный ток обусловлен неосновными носителями. Iпр?102 - 103Iобр.

2. Полупроводниковый диод, его свойства и область применения

диод полупроводник напряжение

Полупроводниковые диоды относятся к электронным приборам, использующим одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода.

2 опасных случая:

1) Uобр.max>[U]

Включаем несколько диодов последовательно для равномерного распределения напряжения между ними. Из-за разброса параметров диодов может Rобр. различны U распределяется между диодами ~ их R может также быть Uобр.max>[U] на одном из них подключаются активные сопротивления Rш~1-10 кОм.

2) I>[I]

Применяется параллельное включение диодов. Чтобы устранить разброс R диодов на работу схемы, последовательно с ними подключаются добавочные сопротивления Rд~0,2-0,8 кОм.

3. Принцип действия транзистора (полупроводникового триода)

Полупроводниковый триод (транзистор) представляет собой электронный прибор, основанный на свойствах двух, расположенных весьма близко друг к другу, электронно-дырочных р-n переходов.

Основной элемент транзистора - кристалл германия или кремния, в котором с помощью соответствующих примесей создаются три слоя с различными типами проводимости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип действия транзисторов обоих типов один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников питания.

Э - эмиттер; Б - база; К - коллектор.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к p-n-переходу П1 эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к p-n-переходу П2 коллектор-база - в обратном направлении. При включении внешних напряжений для обоих полупроводниковых триодов потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором - увеличивается. В результате этого основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток через коллекторный p-n-переход.

Одновременно с этим имеет место и переход основных носителей заряда базы через эмиттерный переход. Однако в область базы при изготовлении триода вводят << примесей, чем в эмиттер, поэтому ток через эмиттерный переход создаётся главным образом переходом основных носителей заряда эмиттера через базу. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через базу много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей дойдёт до коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в базе с её основными носителями. Значит, величина тока, протекающего через коллекторный переход, определяется и зависит от величины тока, протекающего через эмиттерный переход.

Связь между током коллекторной и током эмиттерной цепей:

б=dik/diэ при Uk=const. - коэффициент передачи тока.

В простейшем случае:

б=Ik/Iэ.

Для плоскостных транзисторов: б=0,92-0,99.

Ток базы:

Iб=Iэ-Ik.

4. Схема включения транзистора с общей базой и её коэффициенты

При рассмотрении усилительных свойств переменных сигналов транзисторов схемы их включения можно рассматривать без источников питания, поскольку в сравнении с другими сопротивления источников оказываются весьма малыми.

Включение транзистора возможно по трём схемам: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схему усилительной ячейки на транзисторе с общей базой можно применять на высоких частотах, однако она имеет коэффициент усиления по току меньше 1 и малое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по току:

Kiб=iвх/iвых=ik/iэ=б<1

Коэффициент усиления по напряжению:

KUб=Uвых/iвх=ikRHб/iэRвхб=б RH/Rвх>1

коэффициент усиления по мощности:

KPб=KiKU=б2 RHб/Rвхб>1

Здесь Rнб - сопротивление нагрузочного резистора

в схеме с общей базой; Rвхб - входное сопротивление усилительного каскада.

Как выводить формулы:

Общие формулы, независимые от схемы включения транзистора:

- коэффициент усилительного каскада по току

Ki=iвых/iвх

- коэффициент усиления по напряжению

KU=Uвых/Uвх i, u -

- коэффициент усиления по мощности KP=Ki•KU мгновенные значения

- входное сопротивление каскада Rвх=Uвх/iвх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь - входная, а коллекторная - выходная.

Отсюда

Kiб=iвых/iвх=ik/iэ=б

где ik - ток коллектора, iэ - ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для схемы с общей базой:

iэ=ik+iб,

где iб - ток базы.

Входящее в выражение для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным Rвхб=Uэб/iэ=Rэб. Это сопротивление открытого p-n-перехода. Rэб~ 10-100 Ом.

В усилителях на транзисторах сопротивление коллекторного перехода RH>> сопротивления слоя базы Rб>> сопротивления эмиттерного перехода Rэ. Поэтому KU>1.

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой совпадают по фазе.

5. Схема включения транзистора с общим эмиттером и её коэффициенты

Наиболее часто используют схему с общим эмиттером, с помощью которой возможно осуществить усиление по току, по напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемам усиление по мощности. У схемы ОЭ малое входное сопротивление, порядка сотен Ом.

Во многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ:

в=ik/iб. в~10-100.

Связь в c б можно выразить из системы:

б=ik/iэ в=б/(1-б),

iэ=ik+iб или б=в/(1+ в)

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается эмиттер. Цепь базы - входная, а коллекторная цепь- выходная.

Тогда коэффициент усиления по току

Kiэ=ik/iб=в=б/(1-б).

Так как б~0.91-0.99, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером оказывается больше 1 эта схема может быть использована для усиления тока.

Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы:

Kuэ=Uвых/Uвх=ikRHэ/(iбRвхэ)=в RHэ/Rвхэ.

Входное сопротивление в этой схеме:

Rвхэ=Uвх/iвх=Uэб/iб

Выразим ток базы через ток эмиттера:

iб=iэ(1-б)

Подставим в выражение для входного сопротивления:

Rвхэ= Uэб/iэ(1-б)=Rэб/(1-б)=Rэб(1+ в)

Тогда

KUэ=вRHэ/(1+ в)Rэб=б RHэ/ Rэб.

Сопротивление Rэб открытого перехода обычно << нагрузочного сопротивления RHэ, поэтому KUэ>1 схема ОЭ может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

Kpэ=KiэKUэ=в2RHэ/(1+ в)RЭб=б2 RHэ/(1-б)RЭб.

Если проанализировать это выражение, то можно доказать, что схема ОЭ может быть использована и для усиления мощности.

При этом в соответствии с условным положительным направлением напряжение в схеме ОЭ входной и выходной сигналы находятся в противофазе, то есть сдвинуты относительно друг друга на угол, равный 1800.

6. Схема включения транзистора с общим коллектором и её коэффициенты

Схема ОК имеет большое входное сопротивление, порядка десятков и сотен кОм, и низкое выходное сопротивление. Поэтому эту схему часто применяют в многокаскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току может быть записан:

Kik=iвых/iвх=iэ/iб= iэ/ iэ(1-б)=1/(1-б)=1+ в>1.

Коэффициент усиления по напряжению для схемы ОК:

KUk=Uвых/Uвх=iэRHk/(iбRвх)=Kik RHk/Rвх.

При этом входное сопротивление для схемы ОК:

Rвхк=Uвх/iб=Uвх/iэ(1-б).

По второму закону Кирхгофа:

Uвх=iэRHk+Uэб.

Подставляем в предыдущую формулу:

Rвхк=RHk/(1-б)+Uэб/iэ(1-б)= RHk/(1-б)+ Rэб/(1-б).

Так как Rэб<<RHk, это выражение можно упростить:

Rвхк=RHk/(1-б) ? RHk(1+ в).

Значит, входное сопротивление схемы ОК зависит от сопротивления нагрузки и может достигать больших значений порядка 10-100 кОм.

Подставляем входное сопротивление вида Rвхк=RHk/(1-б) в коэффициент напряжения, получаем: KUk?1. Значит, схема с общим коллектором не пригодна для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

KPk= KikKUk =1/(1-б) • 1 ?1/(1-б)=в+1.



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 б=0.98;

НАПРЯЖЕНИЕ:

KUб?KUэ>>KUk

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ:

Rвхк>>Rвхэ? 50Rвхб

МОЩНОСТЬ:

KPэ?50Kpб>Kpk

при равенстве нагрузочных сопротивлений для ОЭ и ОБ.

7. 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/р+1/2 sinwt-2/3р•1 cos2wt-…).

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

U0=I0RH=Im/р • RH=U2m/р.

Через действующее значение напряжения:

U0=v2 • U2/р.

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/р • Im)=р/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.

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

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

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/р-4/3р cos2wt-4/15р cos4wt-…)

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

U0=2U2m/р=2v2 • U2/р.

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=(4/3р Im)/(2/р 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.

9. 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.

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

Размещено на Allbest.ru

...