ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют полупроводниковые выпрямители.

На рис. 214, а приведена принципиальная схема однополупериодного выпрямления с применением полупро­водникового диода. К первич­ной обмотке трансформатора Тр подключен источник переменного тока. Последова­тельно со вторичной обмот­кой включены полупровод­никовый диод и приемник по­стоянного тока г. Через пер­вичную обмотку в течение одного полупериода протека­ет переменный ток в направ­лении от точки 1 к точке 2, в течение второго полуперио­да—в обратном направле­нии, т. е. от точки 2 к точке 1. Когда в точке 3 вторичной обмотки будет положитель­ный потенциал относительно точки 4, через диод и прием­ник r будет протекать ток в направлении, показанном- на схеме стрелкой (от « + » к «—»). В следующий полупе­риод, когда в точке 3 вторич­ной обмотки будет отрица­тельный потенциал относи­тельно точки 4, ток через приемник протекать не будет (поскольку диод обладает односторонней проводимо­стью). В следующие по­лупериоды процесс повто­рится.

Схема двухполупериодного выпрямления показана на рис. 214, б. К первичной обмотке трансформатора, Тр подключен источник переменного тока. В цепь вторичной обмотки включены два полу­проводниковых диода. К средней точке этой обмотки присоединена нагрузка.

Допустим, что в точке 3 вторичной обмотки в первый полупе­риод будет положительный потенциал относительно точки 5, а в точке 4 — отрицательный. Тогда ток пройдет через диод Д1, дрос­сель Др и приемник в точку 5 трансформатора. В это время диод Д2 тока не пропускает.

В течение второго полупериода потенциал на концах вторичной обмотки трансформатора изменится, в точке 3 будет отрицатель­ный потенциал, а в точке 4 — положительный. Ток пройдет через диод Д2, дроссель Др и приемник в точку 5. В это время диод Д1 тока пропускать не будет.

В следующие полупериоды процесс повторится. Таким образом, через приемник будет проходить ток в одном и том же направлении в течение каждого полупериода.

Двухполупериодное выпрямление часто осуществляется также по мостовой схеме, приведенной на рис. 214, в. В этой схеме общее напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора равно половине общего напряжения на зажимах вторичных обмоток (двух половин) обычной двухполупериодной схемы. В связи с этим на изготовление трансформатора для мостовой схемы затрачивается меньше материалов и он получается более легким и дешевым. Пер­вичная обмотка I трансформатора Тр включена в сеть переменного тока. В цепь вторичной обмотки II включены четыре диода, а к точкам 5 и б присоединен приемник.

Допустим, что в точке 3 вторичной обмотки в первый полупе­риод потенциал положительный, а в точке 4 — отрицательный. Тог­да электрический ток пройдет от точки 3 через точку 7, диод Д2, точку 5, приемник (в направлении, указанном стрелкой), точку 6 и диод Д4 через точку 8 к точке 4 вторичной обмотки.

В течение второго полупериода полярность в точках.3 и 4 вто­ричной обмотки изменится: в точке 3 будет отрицательный потен­циал, а в точке 4 — положительный. Тогда ток пройдет от точки 4 через точку 8, диод Д1 точку 5, приемник (в том же направлении), точку 6, диод Д3 и через точку 7 к точке 3.

В каждый полупериод через приемник будет протекать ток в одном и том же направлении.

Мостовая схема выпрямления может быть собрана и без транс­форматора.

При изготовлении выпрямителя на полупроводниковых диодах необходимо иметь в виду, что полупроводниковый диод может от­дать номинальную силу выпрямленного тока только при использо­вании его в схеме однополупериодного выпрямления без сглажива­ющего фильтра, работающего на активную нагрузку.

При использовании диода в выпрямителе с фильтром, имеющем на входе конденсатор, нормальный режим работы диода обеспечивается при условии снижения выпрямленного тока в 2—2,5 раза по сравнению с номинальным. Это связано с тем, что диод длительнее загружен током.

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторы служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механиче­ской прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначи­тельным собственным потреблением энергии.

Транзистор представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной прово­димостью.

Транзисторы, у которых средняя область имеет электронную проводи­мость, сокращенно называются тран­зисторами типа р-n-р; транзисторы, у которых средняя область обладает дырочной проводимостью,— транзи­сторами типа n-р-n.

Физические процессы, происходя­щие в транзисторах двух типов, ана­логичны.

Рассмотрим работу плоскостного кремниевого транзистора типа n-р-n. Такой транзистор (рис. 215) содержит два электронно-дырочных перехода, отделяющих две крайние области с электронной проводимостью от средней области с дырочной проводимостью.

В условиях работы транзистора к левому слою прикладывается прямое постоянное напряжение, а к правому — обратное. Под действием электрического поля большая часть электронов из левой

n-области, преодолевая р — n-переход, переходит в очень узкую среднюю р-область. Здесь большая часть электронов продолжает движение по направлению ко второму переходу. Приближаясь к нему, электроны попадают в электрическое поле, созданное внеш­ним положительным напряжением батареи Uк. Под влиянием этого поля электроны быстро втягиваются в правую n-область, что вызы­вает увеличение тока в цепи этой батареи, так как сильно снижает­ся сопротивление второго перехода.

При увеличении напряжения батареи Uэ число электронов, дви­гающихся из левой области в среднюю, будет расти и, следователь­но, число электронов, переходящих из средней области в правую, также будет увеличиваться.

Каждая из трех областей транзистора имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители за­рядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носи­тели зарядов,— коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. В известной мере можно считать, что эмиттер по свое­му назначению подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управ­ляющей сетке трехэлектродной лампы. Если в цепь эмиттера включить

переменное напряжение Uс ( рис. 216), то оно будет складываться с напряжением батареи Uэ и изменять ток эмиттера. В результате этого че­рез левый эмиттерный переход будет протекать не постоянный, а пульси­рующий электрический ток.

Изменение силы тока в цепи эмиттера ΔIэ вызовет изменение тока в цепи коллектора ΔIк. Однако по­скольку не все электроны, испускае­мые эмиттером, достигают коллекто­ра, а небольшая часть из них рекомбинирует, т. е. заполняет некоторое количество дырок в средней об­ласти триода (базе), изменение силы тока в цепи коллектора ΔIк будет несколько меньше, чем в цепи эмиттера.

Практически сила тока коллектора составляет 98—99% тока эмиттера.

Так как к эмиттерному (левому) n — р-переходу приложено

напряжение в прямом направлении, этот переход обладает малым сопро­тивлением. Правый же коллекторный р — n-пере­ход, на который напряже­ние подано в обратном на­правлении, имеет большое сопротивление. По этой причине напряжение, при­кладываемое к эмиттеру, обычно весьма невелико, а напряжение, подаваемое напряжение в прямом на коллектор, может быть достаточно большим.

Изменение силы тока в цепи, создаваемого малым напряжением Uэ. вызывает почти такое же изменение силы тока в цепи коллек­тора, где действует значительно большее напряжение Uк. В резуль­тате этого в транзисторе осуществляется усиление мощности.

Простейшая схема усилителя с транзистором изображена на рис. 217.

На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка Rн.

Батарея Uэ подсоединяется в прямом направлении и поэтому эмиттерный n — р-переход обладает малым сопротивлением. Бата­рея Uк подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление коллекторного n — р-перехода имеет значительную величину.

Сопротивление нагрузки Rн при соответствующем подборе на­пряжения батареи Uк может быть достаточно большим по сравне­нию с сопротивлением на входе усилителя.

Транзистор будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу (Рвх=I² Rвх), меньше по­лезной мощности сигнала на выходе, т. е. в нагрузке (Рн = I² Rн).

Коэффициент усиления по мощности

Ввиду того что база рассмотренного транзистора является об­щей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения назы­вается схемой с общей базой.

При применении этой схемы выходной ток —ток коллектора практически равен току эмиттера — входному току, поэтому при включении триода по схеме с общей базой нет усиления по току, а происходит усиление мощности и напряжения.

Отличительные особенности транзистора типа р-n-р по сравне­нию с транзисторами типа n-р-n заключаются в обратной полярно­сти включения источников питания, а также в том, что электриче­ский ток в этих транзисторах создается в основном не электронами, а дырками.

Кроме этой схемы, применяют еще две схемы включения тран­зисторов: схема с общим (заземленным) эмиттером и схема с об­щим коллектором. В схеме с общим эмиттером (рис. 218, а) усили­ваемый сигнал подается к зажимам «Вход» между базой и эмитте­ром, а усиленное напряжение снимается с сопротивления нагрузки Rн.

В этой схеме эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи транзистора.

Батарея Uб обеспечивает подачу постоянного напряжения на базу, а батарея Uк — подачу напряжения на коллектор транзисто­ра. Особенностью этой схемы включения транзистора является ее способность обеспечить усиление по току и высокое усиление по мощности (достигает 10 000 раз), что и определяет ее широкое при­менение.

В схеме с общим коллектором (рис. 218, б) усиливаемый сигнал подается на зажимы «Вход» между базой и заземлением, а усилен­ное напряжение снимается с сопротивления нагрузки Rн, подклю­ченного к зажимам «Выход» — между эмиттером и заземлением. В этой схеме коллектор является общим электродом для входной и выходной цепи транзистора. Схема с заземленным коллектором используется в основном в первом входном усилительном каскаде. Это связано с тем, что схема имеет высокое входное сопротивление и не может обеспечить усиления напряжения сигнала больше еди­ницы.

Важными параметрами транзисторов являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой обозначается буквой α, а для схе­мы с общим эмиттером — буквой β.

Коэффициент усиления по току α определяется отношением из­менения силы тока в цепи коллектора ΔIк к изменению тока в цепи эмиттера ΔIэ при неизменном напряжении коллектор — база:

Коэффициент усиления по току β определяется отношением из­менения силы тока в цепи коллектора ΔIк к изменению тока в цепи базы ΔIб при неизменном напряжении коллектор — эмиттер:

Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле

где ΔU2 — изменение напряжения на выходе, в,

ΔU1 — изменение напряжения на входе, в,

I2 — сила тока в цепи выхода, а,

I1 — сила тока в цепи входа, а,

Rн — сопротивление нагрузки, ом,

Rвх — входное сопротивление, ом.

Коэффициент усиления триода по мощности равен отношению выходной мощности Р2 к мощности Р1 подаваемой на его вход:

Этот коэффициент можно определить произведением коэффициентов усиления по току на коэффициент усиления по напряжению:

На рис. 219 показана принципиальная схема многокаскадного усилителя низкой частоты с применением транзисторов. При вход­ном напряжении 150 мв мощность на выходе усилителя достигает 1 вт при нагрузке 5 ом. Мощность, потребляемая от источника электрической энергии, примерно 4,5 вт.

На входе усилителя применен каскад на транзисторе с зазем­ленным по низкой частоте коллектором. Выходное напряжение с этого каскада снимается с переменного сопротивления нагрузки R4, включенного в цепь эмиттера. С помощью этого сопротивления, включенного как потенциометр, осуществляется регулировка уси­ления. Сопротивление R3, включенное в цепь коллектора транзисто­ра первого каскада, обеспечивает получение необходимого напря­жения на коллекторе транзистора.

Второй каскад усилителя работает на транзисторе П202, вклю­ченном по схеме с заземленным эмиттером. Эта схема характери­зуется высоким коэффициентом усиления по напряжению. Сопротивление R8 — сопротивление нагрузки каскада.

Выходной каскад усилителя работает на транзисторе, включен­ном по схеме с заземленным эмиттером. Каскад нагружен на транс­форматор Тр, во вторичную обмотку которого подключается звуко­вая катушка громкоговорителя типа 1ГД-9 сопротивлением 5—6 ом. В усилителе использованы сопротивления МЛТ и ВС мощностью 0,25 вт, малогабаритные переменные сопротивления и малогабарит­ные конденсаторы.

ТИРИСТОРЫ

Наряду с полупроводниковыми диодами и транзисторами в технике все шире используют управляемые полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой, называемые тири­сторами.

По внутренней структуре тиристоры отличаются от транзисто­ров тем, что вместо трех в них имеются четыре полупроводниковых слоя с тремя электронно-дырочными переходами (рис. 220).

К р-области анода А прилегает относи­тельно широкая область базы с элек­тронной проводимостью, за ней — тон­кая базовая область с дырочной прово­димостью, к которой присоединен вывод управляющего электрода УЭ, и область катода К с электронной прово­димостью. Слои наращиваются обычно на тонкой кремниевой пластинке мето­дом диффузии и вплавления.

При приложении к тиристору пря­мого напряжения Е переходы П1 и П3 окажутся открытыми (проводящими), а на переходе П2 будет обратное сме­щение. Поэтому действие тиристора можно заменить эквивалентным дей­ствием комбинации из двух транзисто­ров: транзистора типа р-n-р с эмиттерным переходом П1 и коллекторным П2 и транзистора типа n-р-n, имеющего

тот же коллекторный переход П2 и эмиттерный — П3. Соединение обоих транзисторов показано на рис. 221.

Из эквивалентной схемы видно, что ток коллектора транзистора типа р-n-р одновременно является током базы, отпирающим тран­зистор n-р-n, а коллекторный ток последнего — базовым током, отпирающим транзистор типа р-n -р.

При увеличении прямого напряжения батареи с, подаваемого на ти­ристор, небольшое приращение тока в цепи эмиттера транзистора типа р-n-р ΔIэ1 вы­зовет приращение тока в цепи коллектора этого же транзистора ΔIк1, что, в свою очередь, приводит к увеличению коллек­торного тока сопряженного транзистора ΔIк2 , а также коллекторного транзистора типа р-n-р ΔIк1. Далее процесс продол­жается, и ток эквивалентных транзисто­ров возрастает.

Наличие третьего вывода УЭ тиристоров значительно облегчает управляемость прибора. Увеличение тока в цепи тиристора может быть достигнуто независимо от величины приложенного напряжения путем введения дополнительного тока через управляющий электрод в одну из базовых областей структу­ры. Ток в цепи управляющего электрода, складываясь с общим током прибора, вызовет увеличение коэффициента усиления по току транзистора р-n-р типа, в результате чего начнется лавинное нара­стание тока в цепи.

После отпирания тиристора за счет тока в цепи управляющего электрода управляющее действие его прекращается. Запирание ти­ристора может быть осуществлено путем изменения полярности напряжения на аноде или уменьшения тока, протекающего через прибор до значения, называемого током «удержания».

Из сказанного следует, что работа управляемого полупроводни­кового прибора подобна работе тиратрона, в котором управление включением анодной цепи выполняется подачей напряжения зажигания на сетку лампы.

По сравнению с тиратроном тиристоры имеют меньший вес и габариты, обладают большой механической прочностью и значи­тельно большим коэффициентом полезного действия. Тиристор мо­жет работать при более низких напряжениях питания.

Тиристоры обладают рядом преимуществ и перед мощными, транзисторами. Они могут работать при очень больших токах и более высоких обратных напряжениях.

Существенным недостатком тиристоров является то, что они не могут быть выключены с помощью управляющего сигнала.

В настоящее время тиристоры применяют в основном в устрой­ствах электропитания в качестве выпрямителей, преобразователей энергии, частотных преобразователей, в устройствах защиты элек­тронной аппаратуры.