Полупроводниковые электронные приборы

Схема включения транзистора с  общим эмиттером и ее коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_{U ,} мощности  K_p

 

Схема с общим эмиттером (ОЭ) Является наиболее распространненой, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

 

Во многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β=i_k/i_б. β~10-100.

Связь β c α можно выразить из системы:  α=i_k/i_э β=α/(1-α),

i_э=i_k+i_б или α=β/(1+ β)

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

Коэффициент усиления по току

K_iэ=i_k/i_б=β=α/(1-α).

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

Коэффициент усиления по напряжению

K_uэ=U_вых/U_вх=i_kR_Hэ/(i_бR_вхэ)=β R_Hэ/R_вхэ.

Входное сопротивление в  этой схеме: R_вхэ=U_вх/i_вх=U_эб/i_б

Выразим ток базы через  ток эмиттера: i_б=i_э(1-α)

Подставим в выражение  для входного сопротивления: R_вхэ= U_эб/i_э(1-α)=R_эб/(1-α)=R_эб(1+ β)

Тогда K_Uэ=βR_Hэ/(1+ β)R_эб=α R_Hэ/ R_эб.

Сопротивление R_эб открытого перехода обычно << нагрузочного сопротивления R_Hэ, поэтому K_Uэ>1      схема ОЭ может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности

K_pэ=K_iэK_Uэ=β²R_Hэ/(1+ β)R_Эб=α² R_Hэ/(1-α)R_Эб.

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

Достоинства:

• Большой коэффициент усиления по току
• Большой коэффициент усиления по напряжению
• Наибольшее усиление мощности
• Можно обойтись одним источником питания
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

 

 

 

 

 

 

 

 

Cхема включения транзистора с общим коллектором и ее коэффициенты усиления по току K_i, напряжению K_U , мощности K_p  

 Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем. В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

Коэффициент усиления по току:

K_ik=i_вых/i_вх=i_э/i_б= i_э/ i_э(1-α)=1/(1-α)=1+ β>1.

Коэффициент усиления по напряжению:

K_Uk=U_вых/U_вх=i_эR_Hk/(i_бR_вх)=K_ik R_Hk/R_вх.

При этом входное сопротивление  для схемы ОК: R_вхк=U_вх/i_б=U_вх/i_э(1-α).

По второму закону Кирхгофа: U_вх=i_эR_Hk+U_эб. Подставляем в предыдущую формулу:

R_вхк=R_Hk/(1-α)+U_эб/i_э(1-α)= R_Hk/(1-α)+ R_эб/(1-α).

Так как R_эб<<R_Hk, это выражение можно упростить:

R_вхк=R_Hk/(1-α) ≈ R_Hk(1+ β).

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

Подставляем входное сопротивление  вида R_вхк=R_Hk/(1-α) в коэффициент напряжения, получаем: K_Uk≈1. Значит, схема с общим коллектором не пригодна для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

 K_Pk= K_ikK_Uk =1/(1-α) ∙ 1 ≈1/(1-α)=β+1.

                             Достоинства:

• Большое входное сопротивление
• Малое выходное сопротивление

 

                                  Недостатки:

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

 

Однополупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент, пульсации выпрямленного тока.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного  напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

• Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.
• Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
• Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
• По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.
• По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.
• По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные  характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

• Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.
• Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.
• Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.
• Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.
• Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.
• Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 % ) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.
• Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
• Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Однополупериодный выпрямитель.

Принципиальная схема  и осциллограммы напряжения в  различных точках выпрямителя приведены  на рисунке.

U2 - Напряжение на вторичной обмотке  трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке  при отсутствии конденсатора.

 

При подаче переменного sin-идеального напряжения на первичную обмотку трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки также будет переменным синусоидальным и будет равно U₂=U_2msinwt. 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:

I_m=U_2m/R_H, где R_H – сопротивление потребителя постоянного тока.

Кривая получаемого в  процессе однополупериодного выпрямления  пульсирующего тока может быть разложена  в гармонический ряд Фурье:

i=I_m(1/π+1/2 sinwt-2/3π∙1 cos2wt-…).

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

U₀=I₀R_H=I_m/π ∙ R_H=U_2m/π.

Через действующее значение напряжения: U₀=√2 ∙ U₂/π.

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 A_m наиболее резко выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей A_в тока\напряжения в выходной цепи выпрямителя: q=A_m/A_B.

Для схемы однополупериодного выпрямителя: q=0.5I_m/(1/π ∙ I_m)=π/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 U_обр. Обратное напряжение на диоде будет определяться напряжением на вторичной обмотке. Максимальное значение напряжения U_обрm=U_2m.

Недостатки:

• Большая величина пульсаций
• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей.

 

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

Схема двухполупериодного выпрямителя. 

Для этой схемы требуются два диода  и трансформатор с выводом от середины вторичной обмотки. Этот вывод от середины обмотки заземлен. Напряжение на каждом выводе вторичной обмотки трансформатора сдвинуто по фазе на 180 градусов относительно друг друга.

Двухполупериодный выпрямитель работает в течение положительного полупериода входного напряжения. 

На  аноде диода D_x положительный потенциал, а на аноде диода D₂ — отрицательный. Диод Dj смещен в прямом направлении и проводит ток. Диод D₂ смещен в обратном направлении и не проводит ток. Ток течет от центрального вывода трансформатора через нагрузку и диод Dj к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Это позволяет ему во время положительного полупериода проходить на нагрузку.

На  рисунке тот же двухполупериодный  выпрямитель работает в течение отрицательного полупериода синусоиды.

На  аноде диода D₂ появился положительный потенциал, а на аноде диода D₁ — отрицательный. Теперь диод D₂ смещен в прямом направлении и проводит ток. Диод смещен в обратном направлении и не проводит ток. Ток течет от центрального вывода трансформатора через нагрузку и диод D₂ к нижнему выводу вторичной обмотки трансформатора.

Таким образом, в двухполупериодном выпрямителе  ток течет в течение обоих  полупериодов. Это означает, что  частота пульсаций в два раза больше частоты входного переменного  тока.

Недостатком двухполупериодного выпрямителя является то, что его выходное напряжение в два раза меньше выходного напряжения однополупериодного выпрямителя, использующего такой же трансформатор. 

 

Емкостной электрический фильтр в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент  пульсации выпрямленного тока.

Сглаживающий  фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. 

В  любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения^[1]. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) — там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. При питании аппаратуры связи и радиоаппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Данный фильтр действует как фильтр нижних частот^[2][3], обрезая лишние гармоники.