Выходные устройства управления выпрямительно-инверторными преобразователями

МПС РФ
 Вологодский заочный техникум
железнодорожноготранспорта


студента 4-го курса заочного
отделенияВологодского техникума
Железнодорожноготранспорта
г.ВОЛОГДА 2001 год


Конструкция, принцип действия и схемывключения
полевых транзисторов.
В последнее время все большее распространениеполучают поле­вые (униполярные) транзисторы благодаря некоторым преимуществампо сравнению с биполярными. Полевые транзисторы имеют большие входные ивыходные сопротивления и меньшую крутизну проходной характеристики. Полевымназывают такой транзистор, в котором ток канала управляется полем, возникающимпри приложении напряжения между затвором и истоком.
Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р—п-переходоми с изолированным затвором. В свою очередь транзисторы с изолированным затворомделятся на МДП-трапзисторы, у которых затвор отделен от канала диэлектриком(металл—диэлектрик—полу­проводник), и МОП -транзисторы, у которых затворотделен от канала тонким слоем окиси кремния. МДП-транзисторы подразделяются натранзисторы со встроенным и индуцированным каналами. В зависимо­сти от знаканосителей зарядов каналы могут быть р- или n-типа. Элек­трод, черезкоторый в канал инжектируются носители заряда, называют истоком, аэлектрод, служащий для носителей заряда из канала,— стоком. Электрод,через который сообщается управляющий потенциал, называется затвором.МДП-транзисторы имеют четыре вывода; чет­вертый вывод—подложка.

Полевыетранзисторы с управ­ляемым р-n-переходом состоят из кремниевой пластины, по концам которой имеются выво­ды, а впластине методом диффузии образован канал — тончайший слой с дырочной  проводимостью. По краям канала методомдиффузии образованы более массивные участ­ки с дырочной проводимостью. Такимобразом, на поверхности ка­нала с противоположных сторон формируются р-n-переходы,рас­положенные параллельно направ­лению тока. Каналом принято называтьобласть в полупроводнике, в которой ток носителей заряда регулируетсяизменением ее площади поперечного сечения.
При подключении к истоку положительного, а к стоку отрицатель­ногонапряжений в канале возникает электрический ток, создаваемый движением «дырок»от истока к стоку. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочногоперехода (а не через переходы, как в биполяр­ных транзисторах) являетсяхарактерной особенностью полевого тран­зистора. С увеличением потенциала растетразность потенциалов между каналом и затвором, что вызывает увеличение толщинызапорных сло­ев р- n-переходов и сужение сеченияканала. При достижении напря­жения насыщения Ucuнаснаступает перекрытие каналаи рост тока ICпрекращается .

При работе транзистора в режиме насыщения принцип переноса носителейзарядов в области смыкания запорных слоев подобен инжекции носителей из базы взапорный слой обратносмещенного коллектор­ного перехода у биполярныхтранзисторов. Поэтому при дальнейшем повышении Ucu  до Ucuнас  рост тока прекращается, что соответствуетгоризонтальному участку кривых на графике вольт-амперных харак­теристиктранзистора. Вертикальные участки выходных вольт-ампер­ных характеристиксоответствуют пробою. В полевых транзисторах с изолированным затвором (см. рис.1, б, в) последний отделен от ка­нала тонким изолирующим слоем окиси кремнияили другого диэлектри­ка. Подложкой прибора служит кремний толщиной около 0,2мм.
В зависимости от полярности напряжения,прикладываемого меж­ду затвором и истоком Uзu, транзистор может работатьв режиме обеднения или обогащения канала основными носителями заряда. Отсюдаканалы транзисторов с МОП-структурой по физиче­ским свойствам разделяются навстроенные (обедненный тип) и инду­цированные (обогащенный тип). При подаче назатвор 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, можноизменять проводимость канала, а следовательно, U ток стока Iс при  Uси=  const. При некоторомположительном напряжении Uзuтранзистора с р-каналом илиотрицательном Uзи для транзистора с n-кана­лом ток в цепи стокапрекращается. Если на затворе нет напряжения, то ток между стоком и истокомочень мал, и, наоборот, если подать на затвор транзистора с р-каналомотрицательное напряжение или положительное для транзистора с n-каналом поотношению к истоку, то ток между стоком и истоком будет расти.
Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют следующие схе­мывключения: схема с общим истоком и входом на затвор; схема с общим стоком ивходом на затвор; схема с общим затвором и входом на исток. Основнымидостоинствами полевых транзисторов является большое входное сопротивление,почти полное разделение входного и выходного сигналов, малый уровень шумов, иобразование рабочего тока только основными носителями зарядов.
Маркировка полевых транзисторов аналогична тем обозначениям, которыеприменяются для биполярных транзисторов. Например, поле­вой транзистор КПЗОЗАрасшифровывается так: К — кремниевый, П — полевой общего назначения, 3—малоймощности, 03—номер разработки, А — группа.
Полевые транзисторы используют в тех случаях, гдераньше при­менялись электронные лампы, например в усилителях постоянного тока,с высокоомным входом, в RС-генераторах синусоидальных коле­баний и пилообразныхнапряжений, в усилителях низкой частоты и в других устройствах. Прииспользовании полевых транзисторов в электрических схемах необходимо учитыватьрекомендации, 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 отфункционального назначения интегральные схемы делятся на две основные группы:аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС применяются в тех случаях, когда требует­сяпреобразование или обработка сигналов, изменяющихся по закону непрерывнойфункции. В любой аналоговой (линейной) схеме содер­жится большое числоразнообразных неповторяющихся функциональ­ных элементов, поэтому для ихизготовления применяется гибридная технология. Современные линейные ИС содержатдо 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 резисторыбольших номиналов, стабилитроны и другие элементы.
В настоящее время линейные интегральные схемы выпускаются самогоразнообразного функционального назначения: дифференциаль­ные усилители,усилители низких частот, узкополосные и широко­полосные усилители, усилителипромежуточных частот, видеоусили­тели, стабилизаторы, усилители мощности,операционные усилители и т. д. Аналоговые ИС выпускаются в виде серий,выполняющих раз­личные функции, но имеющие единое конструктивно-технологическоеисполнение и предназначенные для совместной работы.
Поэтому эти схемы имеют одинаковые напряжения питания, согласованы повход­ным и выходным сопротивлениям и по уровням сигналов. Наибольшее применениев автоматических устройствах и в устройствах автоматиче­ского регулирования иуправления нашли дифференциальные усили­тели, усилители низкой частоты иоперационные усилители.
Дифференциальные усилители.В тех случаях, когданеобходимо сравнить несколько входных сигналов, получив на выходе разностныйсигнал,   используют дифферен­циальныеусилители. Дифферен­циальный усилитель (рис. 1) повторите­ля со­держит дваэмиттерных и управляемый источник тока.Если на входы 1 и 7 подать дванапряжения, то их разность усиливается и между выводами 8 и 9появляется напряжение, линейно зависящее от разности на­пряжений на входах. Приподаче на вход одинаковых напряжений разность между ними будет равна нулю и,следовательно, на выходе сигнал тоже будет равен нулю не­зависимо откоэффициента усиле­ния схемы.
 Усилители  низкой частоты.УНЧ применяют как дляусиления 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:
диапазонрабочих частот от 1 Гц до 100 кГц; коэффициент усиления ky=300— 500; входное сопротив­ление от 10кОм до 10МОм; выход­ное сопротивление100—5000 Ом и потребляемая мощность 10— 100 мВт. Схема простейшего пред­варительногоусилителя низкой ча­стоты представлена на рис. 2. Она содержит двухкаскадныйвходной усилитель на транзисторах VI и V2 с внешними нагрузками ицепями смещения (выводы 8—10) и двух­каскадный выходной усилитель натранзисторах V3и V5с внешней обратной связьючерез транзистор V4(вывод 4). Необходимое смеще­ние натранзисторе обеспечивают диоды V6—V9.В современных уси­лителяхширокое применение полу­чили р—п—р-структуры, имею­щие при малых токахсмещения достаточно высокий коэффициент усиления (30—80).
Операционные усилители.Рань­ше операционныеусилители исполь­зовали в аналоговых ЭВМ для вы­полнения чисто математическихопе­раций, таких, как суммирование, вычитание, дифференцирование иинтегрирование. В настоящее время операционные усилители благода­ря ихмногофункциональности наш­ли широкое применение в системах автоматическогорегулирования и управления подвижным составом. Основными достоинствами опера­ционногоусилителя являются высокий коэффициент усиления (400— 50 000 и выше) и точнаярегулировка усиления с помощью внешних резисторов и конденсаторов (рис 3).Операционный усилитель, схе­ма которого приведена на рис. 3, состоит извходного дифференциаль­ного усилителя, промежуточного и выходного каскадов. Дляобеспече­ния большого входного сопротивления и малого входного тока транзи­сторыVI и V2первого каскада работают при очень малых токах кол­лектора—около20 мкА. Через транзистор V8подается питание на входнойкаскад. Второй каскад состоит из двух групп транзисторов V3,V5и V4, V6.Такое включениеспособствует лучшему согласованию между первым и вторым каскадами примаксимальном усилении. Транзистор V9предназначен длясогласования второго каскада с третьим, а вместе с резистором R11и транзистором VI 0служит для изменения уровня постоянного напряжения. Для создания обратной связив усилителе служит резистор R13.Выходной каскад усилителясоставляют транзисторы V12и VI3.Конструктивно микросхема вы­полненав круглом металлостеклянном корпусе. Но более мощные схемы выполняют впрямоугольных или пластмассовых корпусах с теплоотводами.
Принцип действия и схемыблокинг-генераторов.



Общие сведения.Блокинг-генераторы — этооднокаскадные усили­тели с трансформаторной положительной обратной связью. Ониис­пользуются для генерирования мощных импульсов почти прямоугольной формы сбольшой скважностью. Обратная связь в схеме осуществ­ляется с помощьюимпульсного трансформатора. Существует два вида блокинг-генераторов: ждущие исамовозбуждающиеся  (рис. 1). Обратнаясвязь осуществляется обмоткой Wб,включенной в цепь ба­зытранзистора. В эту же цепь включены формирующий конденсатор Сб ирезистор смещения Rб.Нагрузка Кнподключена последователь­но с сопротивлением Rк,либо к обмотке Wн, какпоказано на рис. 1, а. В последнем случае сопротивление Rкможно не подклю­чать.
Работа блокинг-генератора в самовозбуждающемся режиме.При подключенииблокинг-генератора к источнику питания в цепи транзис­тора появится ток jк. В обмоткеWбнаводится 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— t2происходит формированиепереднего фронта им­пульса tф. В интервале t2— t3происходит рассасывание неосновных носителейв транзисторе, накопленных в базе, которое обусловливает процесс зарядаконденсатора С током базы. Длительность процесса заряда конденсатора определяетдлительность вершины импульса. В интервале t2— t4происходитполный заряд конденсатора и к базе транзистора подводится положительноенапряжение, которое и выводит транзистор из режима насыще­ния. При этомначинает спадать ток базы, вызывая уменьшение тока кол­лектора. Уменьшение токаjkприво­дит к возникновению э.д.с. в обмотке Wбположительной полярности, кото­рая еще больше способствует запира­ниютранзистора. К моменту t4ток jk  достигает нуля, транзисторзакры-
ваетсяполностью, а потенциал на коллекторе достигает напряжения источника — Ек.На этом процесс формирования заднего фронта импульса заканчивается.
После полного запирания транзистора в интервале t4—t5 начина­етсяразряд конденсатора через резистор Rби обмотку Wб.По мере разряда конденсатора напряжение на базе транзистора снижается и кмоменту t5 ,достигает такого значения, при котором транзисторотпира­ется. При этом происходит повторение лавинообразного роста тока в цепяхбазы и коллектора. Длительность выходных импульсов tuзависитот скорости заряда конденсатора Сб , которая определяется по­стояннойвремени 3 =RбэСб.Период повторения импульсов Т опре­деляется временем разрядаконденсатора С через резистор Rб,при за­пертом транзисторе,т. е. постоянной времени разряда  p=PбCб. Длительностьимпульсов регулируют изменением   емкостиконденсатора.
Работа блокинг-генератора в ждущем режиме.Блокинг-генератор в ждущемрежиме используется для формирования выходного сигнала в том случае, когда навход подается запускающий сигнал. При отсут­ствии запускающих импульсов схемаблокинг-генератора находится в исходном состоянии и выходных импульсов негенерирует. В качестве блокинг-генератора, работающего в ждущем режиме, можноисполь­зовать ранее рассмотренный, дополнив его источником смещения Есм, подключивк резистору Rб.Но так как в схеме ждущего блокинг-гене­ратора нетребуется определять длительность паузы между импульса­ми, а необходима толькодлительность импульса, то конденсатор С и резистор Rбв схеме не нужны. Допоступления входного сигнала на обмотку Wвх (рис. 2) транзисторзаперт напряжением смещения, ко­торое подается на базу транзистора. При подачевходного импульса Uвх на обмотку импульсного трансформатора в остальныхобмотках на­водится      э. д. с.,которая способствует открытию транзистора, а следо­вательно, и появлениювыходного импульса. После прекращения пода­чи входного импульса происходитперемагничивание сердечника транс­форматора и уменьшение тока базы. Когда токбазы станет равным ну­лю, транзистор закроется и схема примет исходноеположение до по­дачи следующего импульса.


Выходные устройства управления выпрямительно-инверторнымипреобразователями (ВИП).
 Одним из важнейших условийнормальной работы тиристоров в выпрямительном блоке является подача на его уп­равляющийэлектрод импульсов, строго определенных по току и на­пряжению, а также покрутизне нарастания тока, равной 0,2 —1,0 А/мкс. Длительность управляющего импульсадолжна быть та­кой, чтобы за время его действия анодный ток тиристора достигзна­чений тока удержания. Недостаточная длительность импульса может привести ктому, что нормальная работа тиристорного преобразовате­ля окажется невозможной.Форма управляющего импульса должна иметькрутой фронт и длительность импульса700—1200 мкс (рис. 1).
Для выполнения нужных требований получаетсядостаточно слож­ная схема, которая бы обеспечила нормальную работу параллельнои последовательно включенных тиристоров. Структурная схема блока формированияуправляющих импульсов, применяемая на локомотивах переменного тока,представлена на рис. 2. Формирователь импуль­сов ФИ состоит из блоковпредварительного усиления выходных усили­телей ВК.1 — ВК,3 иимпульсных трансформаторов ИТ1 — ИТЗ.
Блок предварительного усилителя выполняет одновременно функ­циимножителя импульсов и питается напряжением 55 В от зажимов 1 и 2 (рис.3). На вход усилителя поступают импульсы управления в соответствии с алгоритмомуправления и, проходя через цепи помехоподавления, подаются на базу транзистораV14.Транзистор открывает­ся и ток от плюса источникапитания по проводу 7, через первичную об­мотку HI— К.1межкаскадноготрансформатора, коллектор и эмит­тер транзистора V14, диоды V7— V9проходит на «—» источника пита­ния. При этом вовсех пяти вторичных обмотках трансформатора обра­зуются усиленные импульсы,длительность которых определяется вре­менем насыщения сердечникатрансформатора. Сигналы с обмоток Н4—К4, Н5—К.5 и Н6 — Кбпоступают на входы выходных усилите­лей для дальнейшего усиления, а импульс собмотки НЗ — КЗ образу­ет положительную обратную связь, подавая сигнална базу транзисто­ра. Сигнал обмотки Н2 — К2 поступает на вход черезрезистор R9, стабилитрон V12,диод V5на управляющий электродтиристора V15, открывая его. При этом транзистор V14закрывается и происходит от­сечка управляющего импульса, укорачивая его. Этоособенно необхо­димо в режиме инвертирования, чтобы предотвратить срыв работыпре­образователя при слишком длительном импульсе управления.
Блок выходных усилителей (рис. 4) выполняет функцию конеч­ногоусилителя. Рассмотрим работу одного из трех выходных усилите­лей ВК1 — ВКЗ(см. рис. 2). Сигнал, поступающий со вторичной об­мотки усилительноготрансформатора (например, с обмотки Н6 — К6, (см.рис. 3). по проводу 48,проходит через ограничивающие резисто­ры R2и R3(см. рис. 4), подается набазы транзисторов V8, V9,от­крывая их. Перед этимпроисходит заряд конденсатора С1 от источни­ка постоянного тока по цепи:зажим 49, резистор R1,конденсатор С1, диодV8 и «—» источника. После открытия транзисторов V8, V9 проис­ходитразряд 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 вторичнойобмотке ИТ2 образует­ся короткий импульс с крутым передним фронтом (рис.5, г). Одно­временно с образованием короткого импульса происходитформирова­ние более длинного импульса, но менее крутого (рис. 5, в) поцепи:

зажимы49, 9 (см. рис. 4), обмотка H1 — К.1трансформатора ИТ1,транзисторы V8, V9(см. рис. 5а), диоды V5,V6,за­жим 2.
Во вторичных обмотках трансформаторов ИТ1 и ИТ2после раз­ряда конденсаторов С1 и С2 ), происходитсложение двух импульсов (широкого и узкого), вследствие чего на выходеобразуется импульс необходимой формы и параметров (рис. 5 д). Этотимпульс поступает на управляющий электрод силового тиристора или группытиристоров.
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 силовойпреобразовательной техники.
        Москва. Энергия. 1979
4.   Криштафович А.К.  Трифонюк В.В. Основы промышленнойэлектроники.
       Москва. Высшая школа. 1985.