Принцип работы биполярного транзистора

     Импульсные  трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать  сопротивление генератора импульсов  с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приемника  импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть также  использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

     Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств, хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации современных выходных ИТ при длительности импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10 - 20 и более.

     Наибольшее  распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок. Импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса рассматриваются раздельно.

     Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют установить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и скосу вершины импульса. 

     Эквивалентные схемы

     Трансформация фронта импульса с малыми искажениями  достигается при малых значениях  индуктивности рассеяния и распределенной емкости трансформатора, которые  уменьшаются с уменьшением числа  витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ. В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода.

     Удовлетворение  одновременно нескольким поставленным требованиям при расчете ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

     Расчеты ИТ производятся на основе приближенной эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы.

     Выполняют ИТ двух- или многообмоточными и широко применяют в устройствах автоматики, электроники и связи для передачи импульсных сигналов малой длительности. Используют их для изменения амплитуды импульсов и полярности, для согласования сопротивлений и связи между отдельными каналами импульсных устройств, исключения из цепей нагрузки постоянной составляющей тока. Мощность импульсов, передаваемая современными трансформаторами, достигает нескольких ватт, их длительность колеблется от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд.

Основным  требованием, предъявляемым к импульсным трансформаторам, является минимальное  искажение формы передаваемого  сигнала, которое происходит из-за влияния  индуктивностей рассеяния, емкостных  связей между обмотками и витками  обмоток и вихревых токов, индуктируемых  в магнитопроводе. В результате этого вместо идеального прямоугольного импульса с напряжением Uид  (штриховые линии на рис. 1) получается искаженный импульс (сплошные линии) с передним фронтом уменьшенной крутизны, срезом импульса и послеимпульсной хвостовой частью (стадии восстановления). Чтобы искажение формы передаваемого импульса было минимальным, трансформатор должен обладать линейными характеристиками и иметь постоянную времени, близкую к нулю. Линейность характеристик обеспечивается путем уменьшения индукции в магнитопроводе.

При изготовлении магнитопровода применяют материалы с улучшенными магнитными свойствами при высоких частотах: специальную высоколегированную трансформаторную сталь, железоникелевые сплавы типа пермаллой и д.р. Для уменьшения постоянной времени обмотки трансформатора размещают таким образом, чтобы индуктивности рассеяния у них были минимальными. Для этой цели часто используют тороидальные сердечники, имеющие весьма малое магнитное сопротивление. Как показывает опыт, желательно, чтобы индуктивные сопротивления первичной и вторичной обмоток x1≈ xґ2≈ (0,05ч0,15)zґн. Для снижения емкостных связей приходится осуществлять специальную укладку проводов, обеспечивающую симметричное распределение емкостей, применять систему металлических экранов и пр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     22. Устройство и принцип работы тиристора.

     Тиристором  называется четырёхслойный полупроводниковый  прибор, состоящий из последовательно  чередующихся областей p- и n – типов проводимости.

   Рис.6. Устройство тиристора 

     При изготовлении тиристора берут пластину полупроводника с параметрами области  n₁ и методом двухсторонней диффузии формируют области p₁ и p₂. Затем методом односторонней диффузии формируют область n₂. При такой технологии изготовления наименее легированной будет область n₁, а наиболее легированной - область n₂.

     Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к внешнему n-слою - катодом. Внутренние области р- и n-типа называют базами. Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.

   Рис. 6.1. Управляемый тиристор (в разрезе): 1 — основание (силовой электрод); 2 — полупроводниковый кристалл; 3 — фторопластовое кольцо; 4 — гибкий внутренний провод; 5 — крышка; 6 — изолятор крышки; 7 — стержень крышки; 8 — гибкий наружный вывод (силовой электрод); 9 — управляющий электрод; 10 — наконечник наружного вывода. 
 

   В зависимости от числа выводов  тиристоры делят на:

1. диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода
2. триодные (тиристоры), имеющие выводы от анода, катода и одной из баз
3. тетродные, имеющие выводы от всех областей.

     В начале своего развития тиристоры претендовали на роль многофункционального прибора. На них пытались делать триггеры, счётчики, мультивибраторы и другие самые  разнообразные электронные устройства. Однако постепенно выяснилось, что  по большинству направлений они  не выдерживают конкуренции с  другими полупроводниковыми приборами. Единственная область, в которой  тиристоры продемонстрировали высокую  конкурентоспособность - это мощные токовые ключи различного назначения, в качестве которых они сейчас успешно и широко используются.

     При использовании в качестве токового ключа тиристор включается последовательно  с источником питания и нагрузкой  (рис. 6). Тиристор имеет два силовых контакта, пропускающих рабочий ток (катод и анод) и могут иметь управляющий электрод. Тиристор может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Эти состояния обладают существенно различным сопротивлением между силовыми электродами. В закрытом состоянии сопротивление велико и ток через тиристор не идёт. Открывается тиристор при достижении между силовыми электродами напряжения открывания или током на управляющем электроде. В открытом состоянии сопротивление тиристора резко падает и он проводит ток. Закрытие тиристора происходит при отключении тока или смене его знака.

     Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего представим его в виде двух биполярных транзисторов (рис. 6.2). 

Рис. 6.2. Представление тиристора двумя биполярными транзисторами

     На  физические процессы в тиристоре  основное влияние оказывают два  фактора: зависимость коэффициента передачи по току a от тока эмиттера и лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода.

     Если  на анод подано отрицательное напряжение, то центральный переход П2 будет смещён в прямом направлении, а крайние переходы П1 и П3 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует режиму отсечки транзисторов VT1, VT2 и через тиристор будет протекать обратный ток двух последовательно включенных переходов П1 и П3.

     При положительном напряжении на аноде  крайние переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный переход П2 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует активному режиму работы транзисторов VT1 и VT2. Как видно из рис. 2, выходной ток транзистора VT1 является входным током транзистора VT2, а выходной ток транзистора VT2 - водным током транзистора VT1, т. е. транзисторы VT1 и VT2 образуют двухкаскадный усилитель, выход которого соединён со входом. В такой схеме возможен регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока.

     При небольших положительных напряжениях  на аноде через коллекторные переходы будут протекать обратные токи, которые  будут усилены транзисторами  VT1 и VT2. Но, так как эти токи малы, а при токе эмиттера I_э®0 коэффициент передачи тока эмиттера a®0, то в тиристоре установится ток, ненамного превышающий I_к0.

     По  мере роста напряжения на аноде ток  тиристора будет возрастать за счёт лавинного умножения носителей  заряда в переходе П2. Это само по себе приводит к увеличению тока тиристора. Но увеличение тока тиристора приводит к возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что влечёт ещё большее увеличение тока тиристора.

     При некотором токе коэффициент усиления по петле, образованной транзисторами  VT1 и VT2 превысит единицу. При этом, если ток не ограничен, то в тиристоре возникает регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока, заканчивающийся насыщением транзисторов VT1 и VT2, когда все их переходы будут смещены в прямом направлении. Такой процесс будет происходить в электронном ключе на транзисторе. Если ток ограничен, что имеет место при питании тиристора от источника тока при снятии его вольт-амперной характеристики, то с ростом тока через тиристор напряжение на нём будет падать.

     Если  в цепи управляющего перехода протекает  некоторый ток, то это приводит к  увеличению тока тиристора и возрастанию  коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что приводит к уменьшению напряжения, при котором начинается регенеративный процесс включения тиристора. Таким образом, изменяя ток управляющего электрода можно управлять напряжением включения тиристора.