Выходные устройства управления выпрямительно-инверторными преобразователями

МПС РФ

 Вологодский заочный техникум

железнодорожного транспорта

студента 4-го курса заочного

отделения Вологодского техникума

Железнодорожного транспорта

г.ВОЛОГДА 2001 год

Конструкция ,принцип действия и схемы включения

полевых транзисторов.

В последнее время все большее распространение получают поле­вые (униполярные) транзисторы благодаря некоторым преимуществам по сравнению с биполярными. Полевые транзисторы имеют большие входные и выходные сопротивления и меньшую крутизну проходной характеристики. Полевым называют такой транзистор, в котором ток канала управляется полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р—п-переходом и с изолированным затвором. В свою очередь транзисторы с изолированным затвором делятся на МДП-трапзисторы, у которых затвор отделен от канала диэлектриком (металл—диэлектрик—полу­проводник), и МОП -транзисторы, у которых затвор отделен от канала тонким слоем окиси кремния. МДП-транзисторы подразделяются на транзисторы со встроенным и индуцированным каналами. В зависимо­сти от знака носителей зарядов каналы могут быть р- или n-типа. Элек­трод, через который в канал инжектируются носители заряда, называют истоком, а электрод, служащий для носителей заряда из канала,— стоком. Электрод, через который сообщается управляющий потенциал, называется затвором. МДП-транзисторы имеют четыре вывода; чет­вертый вывод—подложка.

Полевые транзисторы с управ­ляемым р-n-переходом  состоят из кремниевой пластины, по концам которой имеются выво­ды, а в пластине методом диффузии образован канал — тончайший слой с дырочной  проводимостью. По краям канала методом диффузии образованы более массивные участ­ки с дырочной проводимостью. Таким образом, на поверхности ка­нала с противоположных сторон формируются р-n-переходы, рас­положенные параллельно направ­лению тока. Каналом принято называть область в полупроводнике, в которой ток носителей заряда регулируется изменением ее площади поперечного сечения.

При подключении к истоку положительного, а к стоку отрицатель­ного напряжений в канале возникает электрический ток, создаваемый движением «дырок» от истока к стоку. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполяр­ных транзисторах) является характерной особенностью полевого тран­зистора. С увеличением потенциала растет разность потенциалов между каналом и затвором, что вызывает увеличение толщины запорных сло­ев р- n-переходов и сужение сечения канала. При достижении напря­жения насыщения Ucuнас наступает перекрытие канала и рост тока IC прекращается .

При работе транзистора в режиме насыщения принцип переноса носителей зарядов в области смыкания запорных слоев подобен инжекции носителей из базы в запорный слой обратносмещенного коллектор­ного перехода у биполярных транзисторов. Поэтому при дальнейшем повышении Ucu  до Ucuнас  рост тока прекращается, что соответствует горизонтальному участку кривых на графике вольт-амперных харак­теристик транзистора. Вертикальные участки выходных вольт-ампер­ных характеристик соответствуют пробою. В полевых транзисторах с изолированным затвором (см. рис. 1, б, в) последний отделен от ка­нала тонким изолирующим слоем окиси кремния или другого диэлектри­ка. Подложкой прибора служит кремний толщиной около 0,2 мм.

В зависимости от полярности напряжения, прикладываемого меж­ду затвором и истоком Uзu , транзистор может работать в режиме обеднения или обогащения канала основными носителями заряда. Отсюда каналы транзисторов с МОП-структурой по физиче­ским свойствам разделяются на встроенные (обедненный тип) и инду­цированные (обогащенный тип). При подаче на затвор положительного потенциала относительно истока (при канале р-типа) проводимость канала ухудшается, а при отрицательном потенциале на затворе улуч­шается. Поэтому, изменяя полярность и значение напряжения UЗU , можно изменять проводимость канала, а следовательно, U ток стока Iс при  Uси=  const. При некотором положительном напряжении Uзu транзистора с р-каналом или отрицательном Uзи для транзистора с n-кана­лом ток в цепи стока прекращается. Если на затворе нет напряжения, то ток между стоком и истоком очень мал, и, наоборот, если подать на затвор транзистора с р-каналом отрицательное напряжение или положительное для транзистора с n-каналом по отношению к истоку, то ток между стоком и истоком будет расти.

Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют следующие схе­мы включения: схема с общим истоком и входом на затвор; схема с общим стоком и входом на затвор; схема с общим затвором и входом на исток. Основными достоинствами полевых транзисторов является большое входное сопротивление, почти полное разделение входного и выходного сигналов, малый уровень шумов, и образование рабочего тока только основными носителями зарядов.

Маркировка полевых транзисторов аналогична тем обозначениям, которые применяются для биполярных транзисторов. Например, поле­вой транзистор КПЗОЗА расшифровывается так: К — кремниевый, П — полевой общего назначения, 3—малой мощности, 03—номер разработки, А — группа.

Полевые транзисторы используют в тех случаях, где раньше при­менялись электронные лампы, например в усилителях постоянного тока, с высокоомным входом, в RС-генераторах синусоидальных коле­баний и пилообразных напряжений, в усилителях низкой частоты и в других устройствах. При использовании полевых транзисторов в электрических схемах необходимо учитывать рекомендации, которые имеются в справочной литературе и техническом паспорте. Хранить транзисторы с изолированным затвором следует с закороченными вы­водами, производить пайку с заземлением паяльника, места пайки и рук монтажника.

АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ.

НАЗНАЧЕНИЕ , ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ.

Общие сведения. В зависимости от функционального назначения интегральные схемы делятся на две основные группы: аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС применяются в тех случаях, когда требует­ся преобразование или обработка сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В любой аналоговой (линейной) схеме содер­жится большое число разнообразных неповторяющихся функциональ­ных элементов, поэтому для их изготовления применяется гибридная технология. Современные линейные ИС содержат до 300 элементов в од­ном кристалле, в том числе маломощные п—р—п- и р—п—струк­туры, мощные п—р—п-транзисторы, МДП структуры, конденсаторы и резисторы больших номиналов, стабилитроны и другие элементы.

В настоящее время линейные интегральные схемы выпускаются самого разнообразного функционального назначения: дифференциаль­ные усилители, усилители низких частот, узкополосные и широко­полосные усилители, усилители промежуточных частот, видеоусили­тели, стабилизаторы, усилители мощности, операционные усилители и т. д. Аналоговые ИС выпускаются в виде серий, выполняющих раз­личные функции, но имеющие единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместной работы.

Поэтому эти схемы имеют одинаковые напряжения питания, согласованы по вход­ным и выходным сопротивлениям и по уровням сигналов. Наибольшее применение в автоматических устройствах и в устройствах автоматиче­ского регулирования и управления нашли дифференциальные усили­тели, усилители низкой частоты и операционные усилители.

Дифференциальные усилители. В тех случаях, когда необходимо сравнить несколько входных сигналов, получив на выходе разностный сигнал,   используют дифферен­циальные усилители. Дифферен­циальный усилитель (рис. 1) повторите­ля со­держит два эмиттерных и управляемый источник тока .Если на входы 1 и 7 подать два напряжения, то их разность усиливается и между выводами 8 и 9 появляется напряжение, линейно зависящее от разности на­пряжений на входах. При подаче на вход одинаковых напряжений разность между ними будет равна нулю и, следовательно, на выходе сигнал тоже будет равен нулю не­зависимо от коэффициента усиле­ния схемы.

 Усилители  низкой частоты. УНЧ применяют как для усиления звуковых частот, так и для усиле­ния различного рода сигналов. Выполняются усилители с выход­ной мощностью от сотен милливатт до 20 Вт и выше. УНЧ характери­зуются следующими параметрами:

диапазон рабочих частот от 1 Гц до 100 кГц; коэффициент усиления ky = 300— 500; входное сопротив­ление от 10кОм до 10МОм; выход­ное сопротивление 100—5000 Ом и потребляемая мощность 10— 100 мВт. Схема простейшего пред­варительного усилителя низкой ча­стоты представлена на рис. 2. Она содержит двухкаскадный входной усилитель на транзисторах VI и V2 с внешними нагрузками и цепями смещения (выводы 8—10) и двух­каскадный выходной усилитель на транзисторах V3 и V5 с внешней обратной связью через транзистор V4 (вывод 4). Необходимое смеще­ние на транзисторе обеспечивают диоды V6—V9. В современных уси­лителях широкое применение полу­чили р—п—р-структуры, имею­щие при малых токах смещения достаточно высокий коэффициент усиления (30—80).

Операционные усилители. Рань­ше операционные усилители исполь­зовали в аналоговых ЭВМ для вы­полнения чисто математических опе­раций, таких, как суммирование, вычитание, дифференцирование и интегрирование. В настоящее время операционные усилители благода­ря их многофункциональности наш­ли широкое применение в системах автоматического регулирования и управления подвижным составом. Основными достоинствами опера­ционного усилителя являются высокий коэффициент усиления (400— 50 000 и выше) и точная регулировка усиления с помощью внешних резисторов и конденсаторов (рис 3) . Операционный усилитель, схе­ма которого приведена на рис. 3, состоит из входного дифференциаль­ного усилителя, промежуточного и выходного каскадов. Для обеспече­ния большого входного сопротивления и малого входного тока транзи­сторы VI и V2 первого каскада работают при очень малых токах кол­лектора—около 20 мкА. Через транзистор V8 подается питание на входной каскад. Второй каскад состоит из двух групп транзисторов V3, V5 и V4, V6. Такое включение способствует лучшему согласованию между первым и вторым каскадами при максимальном усилении. Транзистор V9 предназначен для согласования второго каскада с третьим, а вместе с резистором R11 и транзистором VI 0 служит для изменения уровня постоянного напряжения. Для создания обратной связи в усилителе служит резистор R13. Выходной каскад усилителя составляют транзисторы V12 и VI3. Конструктивно микросхема вы­полнена в круглом металлостеклянном корпусе. Но более мощные схемы выполняют в прямоугольных или пластмассовых корпусах с теплоотводами.

Принцип действия и схемы блокинг-генераторов.

Общие сведения. Блокинг-генераторы — это однокаскадные усили­тели с трансформаторной положительной обратной связью. Они ис­пользуются для генерирования мощных импульсов почти прямоугольной формы с большой скважностью. Обратная связь в схеме осуществ­ляется с помощью импульсного трансформатора. Существует два вида блокинг-генераторов: ждущие и самовозбуждающиеся  (рис. 1). Обратная связь осуществляется обмоткой Wб, включенной в цепь ба­зы транзистора. В эту же цепь включены формирующий конденсатор Сб и резистор смещения Rб. Нагрузка Кн подключена последователь­но с сопротивлением Rк, либо к обмотке Wн, как показано на рис. 1, а. В последнем случае сопротивление Rк можно не подклю­чать.

Работа блокинг-генератора в самовозбуждающемся режиме. При подключении блокинг-генератора к источнику питания в цепи транзис­тора появится ток jк. В обмотке Wб наводится э.д.с., которая передает­ся на базу транзистора и понижает ее потенциал (рис. 1, д). Это при­водит к росту тока базы (рис. 1, е) и к дальнейшему росту тока коллек­тора. Транзистор открывается полностью и переходит в режим насыще­ния.

В интервале t1 — t2 происходит формирование переднего фронта им­пульса tф. В интервале t2 — t3 происходит рассасывание неосновных носителей в транзисторе, накопленных в базе, которое обусловливает процесс заряда конденсатора С током базы. Длительность процесса заряда конденсатора определяет длительность вершины импульса. В интервале t2 — t4 происходит полный заряд конденсатора и к базе транзистора подводится положительное напряжение, которое и выводит транзистор из режима насыще­ния. При этом начинает спадать ток базы, вызывая уменьшение тока кол­лектора. Уменьшение тока jk приво­дит к возникновению э.д.с. в обмотке Wб положительной полярности, кото­рая еще больше способствует запира­нию транзистора. К моменту t4 ток jk  достигает нуля, транзистор закры-

вается полностью, а потенциал на коллекторе достигает напряжения источника — Ек. На этом процесс формирования заднего фронта импульса заканчивается.

После полного запирания транзистора в интервале t4 — t5 начина­ется разряд конденсатора через резистор Rб и обмотку Wб . По мере разряда конденсатора напряжение на базе транзистора снижается и к моменту t5 , достигает такого значения, при котором транзистор отпира­ется. При этом происходит повторение лавинообразного роста тока в цепях базы и коллектора. Длительность выходных импульсов tu зависит от скорости заряда конденсатора Сб , которая определяется по­стоянной времени 3 =RбэСб . Период повторения импульсов Т опре­деляется временем разряда конденсатора С через резистор Rб, при за­пертом транзисторе, т. е. постоянной времени разряда  p=PбCб . Длительность импульсов регулируют изменением   емкости конденсатора.

Работа блокинг-генератора в ждущем режиме. Блокинг-генератор в ждущем режиме используется для формирования выходного сигнала в том случае, когда на вход подается запускающий сигнал. При отсут­ствии запускающих импульсов схема блокинг-генератора находится в исходном состоянии и выходных импульсов не генерирует. В качестве блокинг-генератора, работающего в ждущем режиме, можно исполь­зовать ранее рассмотренный, дополнив его источником смещения Есм, подключив к резистору Rб. Но так как в схеме ждущего блокинг-гене­ратора не требуется определять длительность паузы между импульса­ми, а необходима только длительность импульса, то конденсатор С и резистор Rб в схеме не нужны. До поступления входного сигнала на обмотку Wвх (рис. 2) транзистор заперт напряжением смещения, ко­торое подается на базу транзистора. При подаче входного импульса Uвх на обмотку импульсного трансформатора в остальных обмотках на­водится      э. д. с., которая способствует открытию транзистора, а следо­вательно, и появлению выходного импульса. После прекращения пода­чи входного импульса происходит перемагничивание сердечника транс­форматора и уменьшение тока базы. Когда ток базы станет равным ну­лю, транзистор закроется и схема примет исходное положение до по­дачи следующего импульса.

Выходные устройства управления выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП).

 Одним из важнейших условий нормальной работы тиристоров в выпрямительном блоке является подача на его уп­равляющий электрод импульсов, строго определенных по току и на­пряжению, а также по крутизне нарастания тока, равной 0,2 —1,0 А/мкс. Длительность управляющего импульса должна быть та­кой, чтобы за время его действия анодный ток тиристора достиг зна­чений тока удержания. Недостаточная длительность импульса может привести к тому, что нормальная работа тиристорного преобразовате­ля окажется невозможной. Форма управляющего импульса должна иметькрутой фронт и длительность импульса 700—1200 мкс (рис. 1).

Для выполнения нужных требований получается достаточно слож­ная схема, которая бы обеспечила нормальную работу параллельно и последовательно включенных тиристоров. Структурная схема блока формирования управляющих импульсов, применяемая на локомотивах переменного тока, представлена на рис. 2. Формирователь импуль­сов ФИ состоит из блоков предварительного усиления выходных усили­телей ВК.1 — ВК,3 и импульсных трансформаторов ИТ1 — ИТЗ.

Блок предварительного усилителя выполняет одновременно функ­ции множителя импульсов и питается напряжением 55 В от зажимов 1 и 2 (рис. 3). На вход усилителя поступают импульсы управления в соответствии с алгоритмом управления и, проходя через цепи помехоподавления, подаются на базу транзистора V14. Транзистор открывает­ся и ток от плюса источника питания по проводу 7, через первичную об­мотку HI — К.1 межкаскадного трансформатора, коллектор и эмит­тер транзистора V14, диоды V7 — V9 проходит на «—» источника пита­ния. При этом во всех пяти вторичных обмотках трансформатора обра­зуются усиленные импульсы, длительность которых определяется вре­менем насыщения сердечника трансформатора. Сигналы с обмоток Н4—К4, Н5—К.5 и Н6 — Кб поступают на входы выходных усилите­лей для дальнейшего усиления, а импульс с обмотки НЗ — КЗ образу­ет положительную обратную связь, подавая сигнал на базу транзисто­ра. Сигнал обмотки Н2 — К2 поступает на вход через резистор R9, стабилитрон V12, диод V5 на управляющий электрод тиристора V15, открывая его. При этом транзистор V14 закрывается и происходит от­сечка управляющего импульса, укорачивая его. Это особенно необхо­димо в режиме инвертирования, чтобы предотвратить срыв работы пре­образователя при слишком длительном импульсе управления.

Блок выходных усилителей (рис. 4) выполняет функцию конеч­ного усилителя. Рассмотрим работу одного из трех выходных усилите­лей ВК1 — ВКЗ (см. рис. 2). Сигнал, поступающий со вторичной об­мотки усилительного трансформатора (например, с обмотки Н6 — К6, (см. рис. 3). по проводу 48, проходит через ограничивающие резисто­ры R2 и R3 (см. рис. 4), подается на базы транзисторов V8, V9, от­крывая их. Перед этим происходит заряд конденсатора С1 от источни­ка постоянного тока по цепи: зажим 49, резистор R1, конденсатор С1, диод V8 и «—» источника. После открытия транзисторов V8, V9 проис­ходит разряд конденсатора С/ на первичную обмотку трансформатора ИТ2 (рис. 5, а) по цепи: диод V2 (см. рис. 4), транзисторы V8, V9, диоды V5, V6, зажим 12, обмотка К.1 — HI (см. рис. 5, а) и конден­сатор (см. рис. 4). С1. При этом на вторичной обмотке ИТ2 образует­ся короткий импульс с крутым передним фронтом (рис. 5, г). Одно­временно с образованием короткого импульса происходит формирова­ние более длинного импульса, но менее крутого (рис. 5, в) по цепи:

зажимы 49, 9 (см. рис. 4), обмотка H1 — К.1 трансформатора ИТ1 , транзисторы V8, V9 (см. рис. 5а), диоды V5, V6, за­жим 2.

Во вторичных обмотках трансформаторов ИТ1 и ИТ2 после раз­ряда конденсаторов С1 и С2 ), происходит сложение двух импульсов (широкого и узкого), вследствие чего на выходе образуется импульс необходимой формы и параметров (рис. 5 д) . Этот импульс поступает на управляющий электрод силового тиристора или группы тиристоров.

Список использованной литературы.

1.     Бервинов В.И. Электроника, микроэлектроника и автоматика на   

        железнодорожном транспорте. Москва. Транспорт, 1987.

2.   Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электроники для локомотивных  

        бригад.Москва. Транспорт, 1983.

3.   Розанов В.К. Основы силовой преобразовательной техники.

        Москва. Энергия. 1979

4.   Криштафович А.К.  Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.

        Москва. Высшая школа. 1985.