Особенности построения генераторов

Принцип построения генератора на основе усилителя положительной обратной связью
Необходимым и достаточным условием самовозбуждения замкнутой схемы автогенератора является равенство выходного напряжения цепи обратной связи первоначальному входному напряжению усилителя, послужившему толчком для возбуждения колебаний:

Это условие называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что генератор может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует все потери в цепи возбуждения этих колебаний.
Вторым условием возникновения автоколебаний является условие баланса фаз:

Это условие означает, что колебания в замкнутой системе могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения цепи ОС и фаза входного напряжения усилителя совпадают или сдвинуты относительно друг друга на целое число периодов колебаний.

Статические параметры выпрямительных устройств.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей - нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении.

В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам, к которым относятся:

· наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх - предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупернодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения),

· наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх - обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя,

· прямое падение напряжения Uпр - среднее значение прямого напряжения в однополупернодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе.

· обратный ток Iобр - значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения,

· максимальная мощность Рmах - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем.

Основные параметры выпрямителя:

Uн.ср (Iн.ср) — среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;

Um.ог

— амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

qn = Um.ог/Uн.ср — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;

S — мощность трансформатора (в вольтамперах — В•А или в киловольтампе

рах — кВ•А);

Iпр.ср — прямой средний ток вентиля;

Uпр.ср — среднее напряжение (меньше 2,5 В) на вентиле при токе Iпр.ср;

Uобр.max и Iпр.max — максимальные допустимые обратное напряжение и прямой

Ток вентиля.

56 Полупроводник- вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.

- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимостиу полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

1) электронная ( проводимость "n " - типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная ( проводимость " p" - типа )

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка".

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупроводника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым (Рисунок 1.6, а ) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направлении действия электрического поля прерывисто и характеризуется подвижностью . Подвижность равна средней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследования показывают, что подвижности электронов _n и дырок _p имеют различное значение (_n > _p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение температуры приводит к уменьшению подвижности, что зависит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрейфом свободных электронов под действием внешнего электрического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со средней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плотность тока в полупроводнике содержит электронную j_n и дырочную j_р составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотношение для средней скорости электронов и дырок (1.11), получаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =Е, то удельная электропроводность полупроводника определяется соотношением

.

У полупроводника с собственной электропроводностью концентрация электронов равна концентрации дырок (n_i = p_i), и его удельная электропроводность определяется выражением

.

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности может быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная электропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электронов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

 

Диффузионный ток

 

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возникновению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n_p и дырками до концентрации p_n может осуществляться его освещением, облучением потоком заряжённых частиц, введением их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носителям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избыточные носители заряда не находятся в тепловом равновесии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распределяться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет рекомбинации электронов и дырок концентрация избыточных носителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей пропорциональна избыточной концентрации дырок (p_n - ) или электронов (n_p - ):

; ,

где _p - время жизни дырок; _n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов обусловливает прохождение электрического тока, называемого диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупроводнике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являются функциями координаты. Это приведет к диффузионному движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обусловливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяются из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

 

где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; D_n, D_p - коэффициенты диффузии электронов и дырок.

Градиент концентрации характеризует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при градиенте концентрации в этом направлении, равном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; .

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противоположную направленность электрических токов в полупроводнике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следующим уравнениям:

; .

58. Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1 показаны условное графическое обозначение (УГО) и характеристики выпрямительных диодов (их идеальная и реальная вольт-амперная характеристики). Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На вольт-амперная характеристика реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает.

Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Рис. 1. Полупроводниковый выпрямительный диод: а – условное графическое изображение, б – идеальная вольт-амперная характеристика, в – реальная вольт-амперная характеристика

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

57. зонная теория (англ. energyHYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853" HYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853"bandHYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853" HYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853"theoryHYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853" или HYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853"bandHYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853" HYPERLINK "http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article853"theory) — один из основных разделов квантовой теории твердого тела, описывающий движение электронов в кристаллах, и являющийся основой современной теории металлов, полупроводников и диэлектриков.

Описание

Энергетический спектр электронов в твердом теле существенно отличается от энергетического спектра свободных электронов (являющегося непрерывным) или спектра электронов, принадлежащих отдельным изолированным атомам (дискретного с определенным набором доступных уровней) — он состоит из отдельных разрешенных энергетических зон, разделенных зонами запрещенных энергий.

Именно по принципу взаимного расположения этих зон все твердые вещества и делят на три большие группы (см. рис.):

· проводники — материалы, у которых зона проводимости и валентная зона перекрываются (нет энергетического зазора), образуя одну зону, называемую зоной проводимости (таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию);

· диэлектрики — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят);

· полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).

59. В зависимости от напряжения на выводах транзистор может находиться в следующих основных режимах:

· Режим отсечки;

· Активный режим;

· Режим насыщения.

Кроме этих режимов существует ещё инверсный режим, который используется очень редко.

Режим отсечки

Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V - 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен». Все эти режимы можно разъяснить с помощью выходных характеристик транзистора.

60. Коллекторный переход в тиристоре обладает барьерной емкостью, которая зависит от напряжения. При изменении напряжения на переходе через барьерную емкость С протекает емкостный ток, пропорциональный емкости и скорости изменения напряжения = SC(U)dU/dt, где S – площадь перехода. Протекание емкостного тока коллекторного перехода в период нарастания анодного напряжения эквивалентно подаче импульса прямого тока, способствующего переключению тиристора в открытое состояние (облегчается выполнение условия ( =1). Вследствие этого тиристор переходит в открытое состояние при меньшем амплитудном значении напряжения, меньшем напряжении переключения в статическом режиме (когда нет емкостного тока).

Эффект dU/dt иногда специально используют как способ включения тиристора. Однако зачастую этот эффект является нежелательным, а к тиристорам предъявляется требование выдерживать высокую скорость нарастания анодного напряжения без существенного снижения напряжения переключения. В справочниках для тиристоров указывают критическое значение (dU/dt) .

61. Коэффициент мощности выпрямителя находится также в некоторой зависимости от схемы питания выпрямителя и имеющихся в ней индуктивностей и емкостей. Более подробно о коэффициенте мощности выпрямительных установок говорится далее, в гл. Здесь ограничимся указанием, что коэффициент мощности нерегулируемого шестифазного выпрямителя при номинальной нагрузке в обычных условиях равен около 0 93; при уменьшении нагрузки ниже номинальной коэффицент мощности уменьшается.

Коэффициентом полезного действия выпрямителя называется отношение выпрямленной мощности P₀ = U₀I₀ к мощности Р₁ потребляемой выпрямителем из питающей сети, т. е.

Мощность P₁ слагается из выпрямленной мощности Р₀и мощности потерь в трансформаторе Р_тр и вентилях Р_в. Потери в вентилях согласно формуле

равны

В отличие от величины m величина n учитывает число вентилей в схеме выпрямления. При наличии в выпрямителе сглаживающего фильтра следует учесть и потери в нем. Если фильтр содержит дроссель, то потери мощности будут обусловлены главным образом потерями в дросселе

При использовании фильтра RC потери составят

С учетом всех потерь мощности к.п.д. равен

Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость выпрямленного напряжения на его зажимах U₀ от тока нагрузки I₀, т. е. U₀ = F (I₀).

Если полагать вентили идеальными, а трансформатор не имеющим потерь, то выпрямитель в целом можно рассматривать как источник постоянного тока, внутреннее сопротивление которого равно нулю. В этом случае при увеличении тока нагрузки I₀ никаких потерь напряжения в выпрямителе не будет и напряжение U₀ на его зажимах останется постоянным и равным выпрямленному напряжению при отсутствии нагрузки (напряжению холостого хода U_ох.х).

62.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных электронных устройств, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.

Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку.