Схемы включения и основные параметры.

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода схемы, различают схему включения с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК) (рис. 3.5).

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, а выходным – ток коллектора. В схеме с ОБ входной ток – ток эмиттера, выходной – ток коллектора.

Особое место из всех схем включения занимает схема с ОК, где входным током является ток базы, а выходным - ток эмиттера. По аналогии с предыдущими схемами включения схема с ОК имеет вид, представленный на рис.3.5 в. Однако такое подключение источников Е₁ и Е₂ создает инверсный режим работы транзистора, что приводит, как отмечалось уже ранее, к значительному уменьшению значения коэффициента передачи тока эмиттера α (а следовательно, и β). Поэтому на практике применяют схему с ОК, приведенную на

рис. 3.5 г, обеспечивающую активный режим работы транзистора и сохранение тока базы входным, а тока эмиттера – выходным.

Так как нагрузка в схеме с ОК включена в эмиттерную цепь, то эта схема чаще называется схемой эмиттерного повторителя.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный четырехполюсник в любой схеме включения, являются коэффициенты усиления:

по току k_I=ΔI_вых/ΔI_вх

по напряжению k_U=ΔU_вых/ΔU_вх

по мощности k_p=ΔΡ_вых/ ΔΡ_вх

а также:

входное сопротивление R_вх=ΔU_вх /ΔI_вх

выходное сопротивление R_вых=ΔU_вых/ΔI_вых

Приведем расчет указанных параметров транзисторов для каждой схемы его включения:

В схеме с ОБ

k_Iб=ΔІ_Κ / ΔΙ_э = α ≈ 1

R_вхб = U_эб / I_э

где R_вхб– сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее десятки ом;

где k_UБ>>1, так как R_H>>R_ВХБ.

Таким образом, схема с ОБ характеризуется малым входным сопротивлением, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощности.

В схеме с ОЭ:

k_I_Э=∆I_K/ ∆I_Б=β;

где k_UЭ>>1, так как R_Н>>R_ВХБ.

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопротивление и усиливает сигнал как по току, так и по напряжению и мощности.

В схеме с ОК:

т.е. схема с ОЭ имеет К_IK>>1;

т.е. схема с ОК имеет К_UK≈1

Таким образом, схема с ОК (эмиттерного повторителя) имеет значительно большее входное сопротивление, чем любая другая схема включения транзистора, и обеспечивает усиление сигнала по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Малая величина входного (управляющего) тока I_б, а также большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, обусловили широкое применение схемы с общим эмиттером.

Для анализа усилителей, собранных на транзисторах, пользуются семейством входных и выходных характеристик транзистора. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора, при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером U_кэ называют входной характеристикой: I_б=ƒ(U_бэ) при U_кэ=const (рис.3.6), а зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы называют выходными (коллекторными) характеристиками I_к=ƒ(U_кэ) при I_б= const (рис. 3.7). Знак тока и напряжения при построении характеристик не учитывается, что позволяет унифицировать характеристики для транзисторов p-n-p и n-p-n типов.

Входные характеристики в активном режиме работы транзистора (рис. 3.6) при изменении U_кэ в широких пределах изменяются незначительно, поэтому обычно пользуются одной характеристикой I_б=ƒ(U_б), соответствующей некоторому среднему значению U_кэ. Входные характеристики имеют вид, аналогичный прямой ветви ВАХ полупроводникового диода.

Выходные характеристики для схемы с ОЭ представлены на рис. 3.7. Видно, что достаточно приложить небольшое напряжение U_кэ, чтобы зависимости тока коллектора перешли в пологую область, что соответствует активному режиму работы транзистора. В этом случае ток коллектора I_к определяется числом носителей заряда (дырок или электронов), инжектированных эмиттером и прошедших через базу в коллектор. Некоторое увеличение тока I_к в пологой области, вызываемое повышением напряжения U_кэ, объясняется эффектом модуляции (изменения) толщины базы.

Модуляция толщины базы в транзисторе происходит при изменении напряжения U_кб на коллекторном переходе. С увеличением обратного напряжения U_кб коллекторный p-n переход расширяется, что ведет к уменьшению эффективной толщины базы, уменьшению рекомбинаций носителей в базе и, следовательно, к увеличению числа носителей, достигающих коллектора. Эффект модуляции толщины базы (называемый также эффектом Эрли) приводит к зависимости тока I_к от напряжения на транзисторе.

С ростом тока базы I_б ток коллектора увеличивается (рис. 3.7) в соответствии с формулой (3.7). Увеличение тока коллектора при одинаковом увеличении тока базы происходит неравномерно, что свидетельствует об уменьшении коэффициента β с ростом тока I_к.

При понижении напряжения U_кэ до значений 0,2-0,3В характеристики для различных значений I_б сливаются в одну. Коллекторный переход транзистора в этой области смещен в прямом направлении (так как U_кэ<U_бэ), и оба напряжения U_кэ,U_бэ положительны. Транзистор работает в режиме насыщения.

При работе усилителя на транзисторе входные величины (I_б, U_бэ) получают приращения ΔI_б и ΔU_бэ, которые в свою очередь вызывают изменения значений I_к и U_кэ (ΔI_к и ΔU_кэ). Если входной сигнал имеет небольшую величину, то эти приращения малы и работа усилителя будет происходить на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае транзистор может быть представлен в виде линейного четырехполюсника. Для транзистора по схеме с ОЭ справедливы уравнения:

, (3.8)

где , – входное сопротивление транзистора

, – коэффициент усиления по току

, – коэффициент внутренней обратной связи

, – выходная проводимость транзистора

Коэффициенты в уравнениях (3.8) получили название h - параметров транзистора в схеме с ОЭ. Они определяются только для активного режима. В соответствии с системой уравнения (3.8) на рис.3.8 а изображена схема замещения транзистора при h₁₂ =0 (очень мало), исходя из представления его в виде линейного четырехполюсника (рис.3.8 б).

Значения h -параметров транзистора можно определить графически по статическим входным и выходным характеристикам.

Параметры h_22э и h_21э для схемы с ОЭ определяются по семейству выходных, а h_11э – по семейству входных характеристик транзистора (рис. 3.6 и 3.7).

, Ом

, 1/Ом

6. Контрольные вопросы

6.1 Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме.

6.2 Поясните, в чем заключается эффект модуляции толщины базы.

6.3 Основные соотношения между токами транзистора.

6.4 Режимы работы биполярного транзистора.

6.5 Схемы включения биполярного транзистора.

6.6 Входные и выходные характеристики транзистора по схеме с ОЭ.

6.7 Система h-параметров транзистора.

6.8 Графический метод определения h-параметров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА И

УПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. Цель работы – изучение свойств тиристора и характеристик управляемого выпрямителя.

2. Вопросы для самоподготовки

2.1 Объясните устройство и принцип работы тиристора.

2.2 ВАХ тиристора.

2.3 Укажите на ВАХ напряжение переключения, ток открытия и ток удержания тиристора.

2.4 При каких условиях тиристор открывается и закрывается?

2.5 Укажите основные электрические параметры тиристора.

2.6 Что такое угол открытия тиристора в схемах выпрямления?

3. Описание лабораторной установки

Макеты исследуемого тиристора и схемы управляемого тиристорного выпрямителя устанавливаются на панели стенда и подсоединяются к источникам и приборам.

Анодное напряжение к тиристору в первой схеме подается от регулируемого источника постоянного тока напряжением до 300 В, напряжение управления - от регулируемого источника постоянного тока напряжением до 15 В. В соответствии с электрическими параметрами исследуемого тиристора используют измерительные приборы.

На вход второй схемы (управляемого выпрямителя) подается переменное синусоидальное напряжение (12 … 36 В), от которого работает как управляемый выпрямитель, так и схема управления тиристором. Выходное напряжение выпрямителя контролируют, подключая к нагрузке (R_H) вольтметр и осциллограф.

4. Содержание работы

4.1 Исследование тиристора

4.1.1 По номеру бригады выбрать исследуемый тиристор (табл. 4.1) и записать его основные параметры по таблице 4.2. Собрать схему для исследования тиристора (рис. 4.1).

Таблица 4.1

Тип тиристора	КУ101А	КУ201А	КУ201Б	КУ201Л	КУ202В	КУ202Д
№ бригады

Таблица 4.2

Тип прибора	I_пр. А	U_пер. В	U_пр. В	I_откр. мА	I_уд. мА	U_{об. макс.} В
КУ101А	0,075			7,5	7,5
КУ201А
КУ201Б
КУ201Л
КУ202В			1,5
КУ202Д			1,5

4.1.2 Снять зависимость величины напряжения переключения тиристора от изменения его тока управления U_{перекл.} = f (I_y). Задавая значения анодного напряжения U_а = (0,2; 0,4; 0,6; 0,8; I,0) U_пер., определить трехкратно значения тока управления, при которых тиристор открывается. Рассчитать среднее значение. Результаты занести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3

U_пер.(В)

0,2 U_{пер. макс}

0,4 U_{пер. макс}

0,6 U_{пер. макс}

0,8 U_{пер. макс}

1,0 U_{пер. макс}

I_y (мA)

I_y_ср.

4.1.3 Построить график U_{перекл.} = f (I_y). Описать основные свойства тиристора.

4.2 Исследование управляемого тиристорного выпрямителя

4.2.1 Собрать схему управляемого тиристорного выпрямителя (рис. 4.2).

4.2.2 Снять и построить регулировочную характеристику U_{н. ср.} = f (α), т.е. зависимость среднего значения напряжения на нагрузке от угла открытия (включения) тиристора. Зарисовать осциллограммы напряжения на выходе выпрямителя при каждом измерении.

4.2.3. Рассчитать и построить регулировочную характеристику однофазного однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой (U₂ = 24 В).

5. Краткие сведения из теории

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, содержащую три последовательно включенных р-n перехода.

Электрод, соединенный с крайней р-областью, называется анодом, электрод, соединенный с крайней n-областью – катодом; электрод, соединенный с одной из средних областей (например р₂)– управляющим электродом (рис. 4.3).

Проанализируем электрические свойства тиристора по ВАХ (рис. 4.4).

Если включить тиристор в электрическую цепь с положительным анодным напряжением Е_а (рис. 4.3) при нулевом токе управления, то ток в анодной цепи будет примерно равен нулю, если анодное напряжение меньше определенного значения, называемого напряжением переключения U_пер. (точка А на рис. 4.4). Открыть тиристор в этом случае можно увеличением положительного анодного напряжения до значения U_пер.. На практике такое включение «по аноду» для большинства типов тиристоров нежелательно из-за возможного повреждения прибора. При наличии тока в цепи управления тиристор включается при меньших анодных напряжениях. При фиксированном анодном напряжении ток управления тиристора, при котором происходит его открывание, называется током открытия. Следовательно, тиристоры имеют два устойчивых состояния: открытое, когда сопротивление анодной цепи (между анодом и катодом) равно нулю, и закрытое, когда сопротивление равно бесконечности. Переход из одно го состояния в другое происходит очень быстро (скачком). В отличие от диодов тиристор при прямом напряжении на аноде может находиться как в открытом, так и закрытом состоянии. Обратная ветвь ВАХ тиристора подобна обратной ветви ВАХ диода. При отсутствии тока в цепи управления ВАХ тиристора соответствует ВАХ динистора – неуправляемого тиристора.

После перехода тиристора в открытое состояние цепь управляющего электрода перестает влиять на анодный ток. Вывести тиристор из открытого состояния с помощью управляющего сигнала невозможно.

Запирание анодной цепи тиристора осуществляется путем уменьшения анодного тока ниже определенного значения, называемого током удерживания I_уд.. Еще проще закрыть (выключить) тиристор путем прерывания анодного тока. Это осуществляется при отключении анодного напряжения, при коротком замыкании цепи анод-катод или при переходе мгновенного значения анодного тока через нуль в случае питания анодной цепи от источника синусоидального напряжения.

Основными рабочими и предельными параметрами тиристора являются:

U_пер. – напряжение переключения - минимальное положительное анодное напряжение, при котором тиристор открывается при отсутствии тока управления;

U_пр. – прямое падение напряжения на открытом тиристоре;

I_откр. – ток открывания - минимальное значение тока управления, при котором тиристор открывается практически при любом положительном анодном напряжении;

I_уд. – ток удержания - минимальное значение анодного тока, при котором тиристор остается в открытом состоянии;

I_пр. – максимально допустимое по нагреву среднее значение прямого анодного тока;

U_{обр. доп.} – максимально допустимое значение амплитуды напряжения, прикладываемого к тиристору в обратном направлении.

Если амплитуда питающего напряжения любой полярности не превосходит обратного напряжения пробоя и прямого напряжения переключения, то при I_у = 0 тиристор всегда будет закрыт. Для надежного выполнения этого условия прямое и обратное напряжение на тиристоре не должно превышать 0,7 от наименьшего из выше названных.

Тиристоры могут работать в большом диапазоне напряжений, токов и температур, особенно при дополнительном воздушном или водяном охлаждении. Современные тиристоры работают при напряжении до нескольких тысяч вольт и токах со средним значением до нескольких сотен ампер.

В закрытом состоянии сопротивление тиристора обычно больше 100 кОм. Время включения в зависимости от конструкции тиристора составляет

0,1... 5 мкс, а время выключения – 5... 30 мкс.

Практическое использование тиристоров можно показать на примере управляемых выпрямителей, которые не только преобразовывают переменный ток в постоянный, но и обеспечивают возможность плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения в нагрузке. Например, регулирование выпрямленного напряжения в исследуемом однофазном однополупериодном выпрямителе на тиристоре производится за счет задержки момента открытия тиристора и начала прохождения анодного тока через тиристор и нагрузку по отношению к началу положительной синусоиды выпрямляемого (анодного) напряжения.

При использовании выпрямительных диодов в схеме выпрямления форма напряжения на нагрузке представляет собой положительные полуволны синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 5а, в). Если вместо диодов включены тиристоры, то момент открывания тиристора будет определяться моментом подачи на его управляющий электрод тока управления. Анодное напряжение на тиристоре в этот момент должно быть положительным. Если импульс управления подан в момент t₁, то тиристор VS откроется с запаздыванием во времени по отношению к началу синусоиды положительного напряжения на тиристоре, т.е. со сдвигом по фазе на α = ωt₁.

Угол запаздывания (задержки) включения тиристора, отсчитываемый от момента начала положительной синусоиды анодного напряжения, поданного на тиристор, выраженный в градусах, называется углом открытия (управления) тиристора α.

Управляющие импульсы имеют период следования, равный периоду выпрямленного напряжения. Изменяя начальную фазу управляющего импульсного напряжения в схеме относительно фазы анодного (выпрямленного), можно в значительных пределах менять угол открытия α.

Напряжение на нагрузке в интервале от 0 до t₁ равно нулю, т.к. тиристор закрыт. В момент t₁, при подаче положительного управляющего импульса (тока открытия) тиристор открывается, и ток в тиристоре и нагрузке резко возрастает до значения и далее изменяется по синусоидальному закону. Длитель- ность управляющего импульса определяется только временем открытия тиристора. Регулирование угла открытия тиристора в исследуемой схеме выпрямления производится с помощью схемы управления, которая представляет собой однополупериодную схему выпрямления с емкостным фильтром. На вход этой схемы поступает то же напряжение, что и в анодную цепь тиристора. На выходе схемы формируется напряжение пилообразной формы, которое подается на управляющий электрод тиристора (рис. 4.5 б).

При положительном полупериоде входного напряжения напряжение и ток в цепи управления тиристором плавно возрастают. Это происходит вследствие заряда конденсаторов С₁ и С₂ через резисторы R1, R2 и R3. При достижении напряжения в цепи управления значения напряжения открытия тиристор открывается. Изменяя величину сопротивления резистора R2, можно в значительной мере регулировать время заряда, а следовательно, и наклон характеристик управляющего напряжения и тока (рис. 4.5,б).

При открывании сопротивление тиристора мгновенно уменьшается, конденсаторы быстро разряжаются через резисторы R3 и R4. Тиристор после открытия остается в открытом состоянии в течение положительной волны анодного напряжения и пропускает ток в нагрузку. Закрывается тиристор при смене полярности выпрямленного напряжения. Ток и напряжение в нагрузке R_H в интервале от 0 до t₁ равны нулю, так как тиристор закрыт.

Таким образом, среднее напряжение на нагрузке однополупериодного выпрямителя зависит от угла открытия тиристора.

, (4.1)

где U₂ =24 В – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Зависимость U_{н. ср.} от угла открытия тиристора называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

5. Контрольные вопросы

5.1 Построить ВАХ тиристора для токов управления, при которых в приводимых опытах по первой схеме тиристор открывался.

5.2 Описать основные свойства тиристора, проявляющиеся в опытах по первой схеме.

5.3 При каких условиях в исследуемой схеме выпрямления тиристор открывается и закрывается?

5.4 Поясните работу схемы управления тиристором однополупериодного регулируемого выпрямителя.

5.5 Почему с увеличением угла открытия тиристора напряжение на выходе регулируемого выпрямителя уменьшается?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5