При работе схем выпрямления возможно изменение питающего напряжения и тока нагрузки. Это приводит к изменению среднего значения выходного напряжения схемы выпрямления. Кроме того, напряжение на выходе выпрямителя является пульсирующим. Пульсации напряжения на выходе выпрямителя могут быть уменьшены с помощью фильтра. Схема и диаграммы работы однополупериодного выпрямителя с фильтром на выходе в виде конденсатора Сф представлены на рис. 3.8. Чем меньше емкость конденсатора и больше ток нагрузки, тем выше пульсации напряжения на нагрузке и меньше его среднее значение (из-за внутреннего падения на элементах схемы). Таким образом, даже применение фильтра не позволяет получить постоянное по величине напряжение без пульсаций.
Задача схемы стабилизатора – получить выходное напряжение неизменным при изменении входного напряжения и тока нагрузки.
Схема простейшего стабилизатора на стабилитроне и диаграммы его работы показаны на рис. 3.9. Uпит – пульсирующее, постоянное по знаку напряжение. Например, это выпрямленное отфильтрованное напряжение. Для схемы можно записать уравнение: Uпит=URб+Uст; Uст=Uн. Условие нормальной работы схемы: Uст<Uпит.min. Rб – баластное сопротивление, на котором падает разница между Uпит и Uст. Наличие Rб в схеме – обязательно. Выбор Rб выполняется на основе следующих уравнений:
I1=Iст+Iн; Iн=Uст/Rн; Iн.max=Uст/Rн.min.
а ) | б ) |
Рис. 3.9. |
Для худшего случая, когда ток нагрузки равен Iн.max:
I1=Iн.max+Iст.min.
Для стабилитрона Iст.min величина заданная. Rб рассчитывается по уравнению
Rб=URб/I1=(Uпит.min-Uст)/I1.
Отсюда получаем:
Rб=(Uпит.min-Uст)/(Iн.max+Iст.min).
В этой схеме нельзя получить ток нагрузки больше Iст.max, если этот ток меняется в широких пределах от 0 до max. Если ток нагрузки величина постоянная, то схема стабилизатора всегда работоспособна. Однако колебания Uпит будут приводить к изменению тока через стабилитрон и эти изменения не должны превышать диапазона Iст.min¸Iст.max. В схеме стабилизатора возможно последовательное включение стабилитронов для получения нужного напряжения стабилизации: Uст=Uст1+Uст2.
Контрольные вопросы
1. Приведите схему однофазного однополупериодного выпрямителя и опишите принцип его действия.
2. В чем специфика функционирования однофазного однополупериодного выпрямителя при прямоугольном входном напряжении.
3. Приведите схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и опишите принцип его действия.
4. Сформулируйте постановку задачи схемы стабилизатора.
5. Приведите схему простейшего стабилизатора на стабилитроне и опишите принцип его действия.
6. Приведите методику расчета простейшего стабилизатора на стабилитроне.
ГЛАВА 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Общие принципы
Биполярные транзисторы – это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры, которые представлены на рис. 4.1,а, 4.1,б. Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p–n–p и n–p–n – типа. Они имеют два p–n – перехода.
а) б) |
Рис. 4.1 |
Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база–эмиттер Б–Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К–Э является управляемой. С помощью тока через переход Б–Э управляют током перехода К–Э.
| ||||
Рис. 4.2 |
Принцип работы транзистора поясняется с помощью рис. 4.2. Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к минусу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток.
Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинирует с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб. Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор.
Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера a=Iк/Iэ. Обычно a=0,9¸0.995. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы в рассматриваемой схеме включения транзистора (она называется схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10¸300.
Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным.
При рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан тем, что область эмиттера n–типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое количество свободных электронов. В тоже время область базы легируется очень слабо, что дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Таким образом, транзистор является усилительным прибором.
В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности. Обозначения транзисторов типа p-n-p и n-p-n на схемах показаны на рис. 4.3, 4.4.
Рис. 4.3 | Рис. 4.4 |