Работа транзистора на нагрузку

Транзистор всегда включается последовательно с элементом, играющим роль нагрузки для него. На рис. 1.15 представлена схема включения с ОЭ, в которой резистор R _н является нагрузочным элементом. В качестве нагрузки может быть не только резистор, но и также устройство, как сигнальная лампа, обмотка электромагнитного реле, маломощный исполнительный двигатель системы автоматики и другие. Объединяет их то, что каждый из них обладает определенным электрическим сопротивлением, обозначенным в данной схеме как R _н. Для основной силовой цепи, состоящей из транзистора, R _н и источника питания Е_к можно записать уравнение: 

,

где U _кэ – напряжение на транзисторе;

U_{R н} – напряжение на нагрузке.

Представим его в другом виде:

.

Возможны два предельных режима работы данной схемы.

1. U _вх = U _бэ =0. Поэтому I _б =0 и I _к = k_iI _б =0. Транзистор ток не пропускает, обладая высоким сопротивлением. Напряжение на нагрузке равно нулю U_{R н} =0, как и ток через нагрузку. Такая ситуация характеризуется термином "транзистор закрыт".

2. U _вх = U _бэ >0 (реально 0,8¸1,0В). Поэтому I _б >0 и I_k = k_iI _б >0. Транзистор стал пропускать ток, т.е. его сопротивление снизилось. Если I _б достаточно большой, то сопротивление транзистора становится пренебрежимо малым. При этом ток ограничивается лишь сопротивлением нагрузки на уровне I_k = E_k / R _н. Все напряжение приложено к нагрузке U_{R н} =Е _k, а U_{k э} =0. Такое состояние характеризуется термином "транзистор открыт". В режимах "открыт/закрыт" транзистор работает в устройствах дискретного действия. Разброс его параметров и влияние температуры здесь проявляются весьма слабо.

Возможен промежуточный, активный режим работы транзистора, обеспечиваемый при 0< U _вх <(0,6…0,8)В.

Для этого режима: ,

где R _вх – входное сопротивление транзистора.

 

ток коллектора можно выразить формулой:

.

Тогда:

.

Изменяя U _вх в небольших пределах (0¸1)В можно плавно перераспределять напряжение питания E_k между транзистором (U _кэ) и нагрузкой (U_{R н}), плавно регулируя ток через нагрузку. В таком режиме работают аналоговые электронные устройства. Чтобы разброс параметров (h _21э) и изменение температуры меньше влияли на работу транзистора здесь приходится применять специальные меры.

Работу транзистора на нагрузку удобно анализировать графически, имея его вольт-амперные характеристики и построив так называемую нагрузочную прямую. Точки характеризующие совместную работу транзистора с R _н находятся на нагрузочной прямой (рис. 1.16), которая строится по двум точкам:

- координаты точки А: ; ; данная точка характеризует закрытое состояние транзистора;

- координаты точки В: ; ; данная точка характеризует открытое состояние транзистора.   

Для заданного U _вх из входной характеристики определяется I ­_Б, из переходной – I _К, по нагрузочной прямой – напряжение на транзисторе U _КЭ и нагрузочном резисторе U_{R н.}

Аналогичным образом решается обратная задача, когда задано U_RH и требуется найти U ­_вх.

Тиристор

Это управляемый диод. Имеет три p - n перехода (рис. 1.17). В настоящее время это наиболее мощный управляемый полупроводниковый прибор.

Тиристор имеет ряд разновидностей. В простейшем случае он имеет два вывода – анод (из крайней р-зоны) и катод (из крайней n-зоны). Такая разновидность называется динистор (рис.1.17). У основной разновидности тиристора (от нее и пошло название этого класса приборов) имеется третий вывод – управляющий электрод (УЭ).

 

                                а)                              б) в)

а – структура транзистора; б – обозначение транзистора; в – обозначение динистора.

 

Рис. 1.17. Структура тиристора и условное обозначение

Для объяснения принципа действия тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов, если его условно разрезать, как показано на рис. 1.18.

 

Рис. 1.18. Эквивалентная схема тиристора и схема включения

 

Если последовательно с тиристором включить нагрузку R _н и подать питание U _пит (рис. 1.18), то при малом напряжении U _пит протеканию тока через тиристор препятствует второй, средний p - n переход, который включен в обратном направлении.

Существует небольшой обратный ток этого перехода, который вызван собственной проводимостью.

Транзисторы схемы включены так, что стараются поддержать друг друга в открытом состоянии, но это возможно, если их суммарный коэффициент усиления больше единицы. Коэффициенты a транзисторов зависят от тока. Примерный вид этой зависимости дан на рис. 1.19.  

Когда a 1+ a 2 ³ 1, совместное усиление транзисторов становится больше единицы и транзисторы начинают открывать друг друга. Этот процесс идет до полного открытия транзисторов. Чтобы он начался, необходимо увеличить ток тиристора (транзисторов) до некоторого значения. Это достигается увеличением напряжения между анодом и катодом до величины U _вкл, чему соответствует точка А на рис. 1.20. После открытия тиристора (транзисторов) практически все U _пит приложено к R _н (рис. 1.18), а падение напряжения на тиристоре незначительно. Этому режиму соответствует точка С на рис. 1.20.

Чтобы закрыть тиристор, необходимо снизить ток через него до некоторого тока выключения I _выкл, практически до нуля.

Для облегчения открывания тиристора на управляющий электрод подают напряжение управления U _упр, величиной несколько вольт. Появляющийся ток управления I _упр приоткрывает транзисторы, теперь они включаются при меньшем напряжении между катодом и анодом. В итоге, вольт-амперная характеристика тиристора представляет семейство характеристик, показанных на рис. 1.20, для разных I _упр. Можно подать такой ток управления, при котором характеристика тиристора спрямится, не будет иметь выброса, и по форме будет близка к обычному диоду.

 

 

Сигнал управления может подаваться кратковременно, т.к. затем транзисторы поддерживают друг друга в открытом состоянии

Закрыть тиристор через управляющий электрод нельзя, для этого необходимо снизить ток в его главной цепи до уровня I _выкл.

Поэтому тиристор называют однооперационным прибором, т.е. прибором с односторонним управлением. Это его основной недостаток.

 

Применение тиристоров

Тиристоры применяются в управляемых выпрямителях переменного тока для питания двигателей постоянного тока, сварочных аппаратов, преобразователя частоты тока, в качестве бесконтактных коммутационных элементов, т.е. в силовых электроэнергетических устройствах.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: