Синхронные выпрямители на полевиках

Оставлен Evgenij Bortnik Пнд, 03/19/2018 - 13:26
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Синхронные выпрямители. Вниманию телезрителей предлагаю весьма полезный материал, по применению полупроводниковых транзисторов в электронных схемах. Это азбука транзисторной схемотехники. Более подробно аналогичные сведения можно глянуть в белорусском журнале Радиолюбитель, №№4..12 за 1994 год.

Диодный выпрямитель прямоугольного напряжения, выполненный на теоретически идеальных диодах, не может иметь КПД выше 94.6% если напряжение на нагрузке равно 5В. Такой же выпрямитель на реальных диодах с падением напряжения 0.8В не позволяет получить КПД выше 86.2%. Диоды Шоттки с падением напряжения 0.5В позволяют получить КПД 0.909. Применение синхронного выпрямителя (СВ) на полевых МДП - транзисторах с падением напряжения 0.1...0.2В повышает КПД до 0.962 и более. n=Uэф/(Uэф-Uси нас). Входные ёмкости полевых МДП - транзисторов больше выходных, но значительно меньше, чем у соответствующих биполярных транзисторов. Так, например, у КТ908 Свх=10нФ, в то время как у 75 - ваттного 2П904 Свх - не более 200пФ. Характеристики переключения измеряются долями и единицами наносекунд, что на один - два порядка превосходит быстродействие биполярных транзисторов. Недостатки: - значительная амплитуда входных отпирающих импульсов (от 5 до 15 В); - спад крутизны S при больших токах стока. Анализ вольт - амперных характеристик некоторых МДП транзисторов при Uзс=15В позволяет сделать следующие выводы: - при снижении тока через транзистор, пропорционально снижается напряжение сток-исток, т.е. при параллельном включении дополнительно повышается КПД; - потери мощности на управление незначительны, т.к. ток в цепи затвора близок к нулю; - на затвор необходимо подавать максимально возможный потенциал как прямом, так и в запирающем направлении.

Основные требования к МДП - транзисторам для применения в СВ: - прибор должен быть полностью закрыт при нулевом потенциале затвора или при подаче на затвор запирающего потенциала; - сток и исток прибора должны быть взаимозаменяемыми, т.е. прибор должен отпираться в обратном направлении так же хорошо, как и в прямом. По способу управления схемы СВ с полевыми транзисторами делят на две группы: - с управлением по цепи затвор – сток - 1, 2.

3, 4 - с управлением по цепи затвор – исток. В свою очередь по способу включения транзисторов СВ бывают: - прямого включения – 5, 6. 7,8 - инверсного включения. Чаще используют схемы инверсного включения. Схемы при выпрямленном напряжении 10...15 В (зависит от Uзи нас) можно упростить до вида 9, 10 соответственно.

При работе СВ на нагрузку с ёмкостной реакцией необходимо управление транзисторами в зависимости от зарядного тока, что позволяет схема 11 с трансформатором тока (с инверсным включением транзисторов и с управлением по цепи затвор - исток).

ПТ как переменный электрически управляемый резистор. При относительно малых стоковых напряжениях (меньше Uси нас) открытые каналы ПТ ведут себя практически как линейные резисторы, проводимость которых зависит от напряжения затвора. Проводимость транзистора с управляющим p-n переходом: Gк=Gко(1-Uзи/Uзи отс). Проводимость МДП - транзистора с индуцированным каналом: Gк=b[Uзи - Uзи пор], где b - постоянный коэффициент, зависящий от геометрических размеров и материала диэлектрика с размерностью A/B. При смене полярности стокового напряжения линейность сопротивления (или проводимости ) не нарушается, поэтом полевой транзистор может использоваться как переменный электрически управляемый линейный резистор для постоянного и переменного токов. На рисунке 12 показан управляемый аттенюатор схемы АРУЗ.

В качестве активного элемента можно использовать транзистор типа КП103К(Л,М) или набор транзисторов типа КР504НТ3В. Следует заметить, что на обратное напряжение стока накладываются дополнительные ограничения. Для ПТ с управляющим p-n переходом необходимо, что бы [Uси] =< [Uзи] + 0.5В, в противном случае при воздействии обратного стокового напряжения участок управляющего p-n перехода возле стока окажется открытым настолько, что в стоковом цепи потечёт значительный прямой ток затвора, нарушающий линейность резистора. Если подложка МДП - транзистора имеет отдельный вывод, диапазон обратных стоковых напряжений можно увеличить, подав на подложку относительно истока запирающее напряжение. Для ПТ с управляющим p-n переходом минимальное значение регулируемого сопротивления соответствует полностью открытому каналу (при Uзи=0), максимальное теоретически равное бесконечности, но на практике ограниченное условием [Uси] =< [Uси нас]/2. Дальнейшее увеличение сопротивления канала путём увеличения Uзи приводит к уменьшению Uси нас, из-за чего нарушается линейность резистора для прямых стоковых напряжений. Начальные участки семейства стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом 13.

Начальные участки семейства стоковых характеристик МДП – транзистора 14. Зависимость сопротивления канала от напряжения затвора для транзистора типа КП102 15. Зависимость сопротивления канала от напряжения затвора для транзистора типа КП303 16. для этой схемы включения 17. В качестве электрически управляемого резистора ПТ используют в управляемых RC - фильтрах, генераторах, аттенюаторах для осуществления автоматической регулировки усиления (АРУ) и других устройствах. Электрически управляемый RC - генератор 18 с трёхзвенной фазосдвигающей цепочкой в цепи обратной связи:

Каждое звено цепочки создаёт сдвиг по фазе на 60°, при этом суммарный сдвиг составляет 180°, т.е. возникает положительная ОС на частоте f=(3^0.5)RC/2=0.85RC, где R - сопротивление звеньев фазосдвигающей цепи. Необходимо учесть, что коэффициент передачи трёхзвенной фазосдвигающей цепи равен 1/29, поэтому коэффициент усиления активного элемента должен быть К=>29. Применение отражателя тока в гетеродине 19 повышает стабильность частоты примерно на порядок по сравнению с обычным генератором. Простой генератор 20 качающейся частоты (от 300Гц до 3.4кГц):

Период качания от 0.15 до 0.5 с устанавливают резистором R2. На транзисторах VT1 - VT3 и конденсаторе С2 собран генератор пилообразного напряжения, амплитуда которого, а соответственно и верхняя частота качания регулируются резистором R6. Нижнюю частоту устанавливают резистором R18. С помощью переключателя S1 можно установить необходимые дискретные частоты. Простой индикатор 21 скрытой электрической проводки (обнаружитель тока)

Вдали от токоведущих частей он издаёт короткий звуковой сигнал частотой около 3кГц и периодом следования около 2 с, длительность которого определяется элементами R1, R2, C1. По мере приближения к токоведущим частям частота следования звуковых сигналов повышается. В качестве датчика использован конденсатор в виде кружка из двустороннего стеклотекстолита, одна обкладка которого припаяна к гильзе - корпусу и подключена к подложке ПТ, а вторая - к затвору. Вариант прибора 22 со световой индикацией. Пример усилителя 23 с регулируемым коэффициентом передачи. Коэффициент передачи можно изменять в пределах от 1 до 1000, при этом искажения малы вплоть до ограничения сигнала напряжением питания. Уменьшению искажений способствует линеаризирующая цепочка R2C1. Другие способы 24, 25 компенсации нелинейности. Частным случаем усилительного режима является ключевой режим, характеризующийся двумя крайними состояниями. Достоинством электронного ключа на ПТ является высокое быстродействие и практически полное отсутствие расхода мощности коммутируемого сигнала. Для примера, ослабление ключа, представленного на этом рисунке 26:

- более 80дБ на частоте 100МГц. Пример упрощённого аналогового ключа 27. Инжекционно - полевой транзистор (ИТП) представляет собой прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе биполярного и полевого транзисторов - так называемого негатрона 28. Эквивалентная схема негатрона 28. Вольт - амперная характеристика 29 ИПТ.

Пример реализации генератора импульсов 30. После подачи напряжения питания на генератор конденсатор C1 заряжается до напряжения Umax, после чего происходит лавинообразное включение ИПТ, который вызывает разряд конденсатора до напряжения Umin, после чего ИПТ выключается и процесс повторяется. Период колебаний изменяется от 2 до 100 мс при изменении сопротивления резистора R1 от 1.7 до 100МОм. Усовершенствованный генератор 31, коэффициент перестройки по частоте которого на порядок больше (Т=0.4...240мс при изменении R1 от  0.03 до 34 МОм). Каскодный аналог негатрона 32.

может эффективно использоваться в генераторных устройствах, датчиках, фильтрах, компенсаторах затухания сигнала, в линиях связи, в устройствах задержки и памяти. Вольтамперная характеристика 33 такого негатрона. Питание негатронов от одного 34 или двух генераторов тока 35 способствует улучшению стабильности характеристик и расширению их функциональных возможностей. Вольтамперная характеристика 36 негатрона с генератором тока. При соответствующем выборе параметров элементов схемы 34 вольтамперная характеристика 37 может проходить через ноль тока и напряжения. Поэтому он может эффективно использоваться в компенсаторах затухания сигнала в линиях связи, для улучшения параметров широкополосных трансформаторов, в устройствах памяти. Другая разновидность полевых транзисторов - ДМОП транзисторы, которые изготавливают методом двойной диффузии с горизонтальной структурой [n-p-n-n] и индуцированным каналом n - типа. Такой транзистор представляет собой интегральную схему, состоящую из множества МОП - транзисторных ячеек, соединённых параллельно. Каждая из ячеек и в целом мощный полевой транзистор могут быть представлены эквивалентной схемой, включающей последовательно три полевых транзистора (обогащённый, обеднённый и с p-n переходом), шунтированные паразитным биполярным транзистором (также мощным), поскольку количество биполярных транзисторов, включённых параллельно, равно количеству ячеек. По материалам сети публикацию подготовил

               Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018