Выходные устройства управления выпрямительно-инверторными преобразователями


Сдавался/использовался	2001г., Вологда, Вологодский железнодорожный техникум, "4"
Примечание	от редактора: рассмотрены также полевые транзисторы, аналоговые интегральные схемы и блокинг-генераторы
	Загрузить архив:
	Файл: ref-23241.zip (887kb [zip], Скачиваний: 310) скачать

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 дырочнойпроводимостью. 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 U_cu_нас наступает перекрытие канала и рост тока I_C 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 U_cuдо U_cu_насрост 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 U_З_U , можно изменять проводимость канала, а следовательно, U ток стока Iс приUси=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.

Усилителинизкой 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 Wбнаводится 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 t_ф. 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 — t₄происходит 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 j_k приводит к возникновению э.д.с. в обмотке Wб положительной полярности, которая еще больше способствует запиранию транзистора. К моменту t₄ ток j_kдостигает 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 R_би обмотку W_б . 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 t_uзависит от скорости заряда конденсатора С_б, которая определяется постоянной времени ₃ =R_бэС_б . Период повторения импульсов Т определяется временем разряда конденсатора С через резистор R_б,при запертом транзисторе, т. е. постоянной времени разряда_p=P_бC_б . 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.