Сегодня: 23 | 10 | 2020

Электрические аппараты конспект лекций (11 - 22 лекции )

ЛЕКЦИЯ № 22

17. РЕЛЕЙНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

В цепях постоянного и выпрямленного тока транзистор можно рассматривать как управляемое активное сопротивление, что позволяет использовать транзисторы для создания бесконтактных электрических аппаратов управления и защиты.

Транзисторы обладают высоким уровнем ударостойкости и надёжности.

Недостатки: отсутствие полного разрыва цепи в состоянии отсечки, гальванической связи цепи управления и нагрузки в зависимости параметров от температуры.

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку.

Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усилие называется усилительным каскадом.

OДНОКАСКАДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
С ПРОВОДИМОСТЬЮ Р – П - Р

Транзистор имеет три электрода: эмиттер Э, коллектор К и базу Б. Схема усилителя на рисунке 17.1, а.

Рисунок 17.1 - Двухкаскадный транзисторный усилитель

Направление I, U и ЭДС - положительные.

Ток эмиттера:


От тока базы изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором, и ток через нагрузку .

Характеристика усилителя на рисунке 17.1, б. При отрицательном токе управление - через нагрузку протекает , причём . Этот режим называется режимом отсечки и обозначается буквой О.

Если уменьшить до нуля, а затем увеличивать, то ток в нагрузке растёт. При токе в базе наступает режим насыщения транзистора (Н). Ток управления, который необходим для перевода из состояния О в Н, называется током переключения .

На рисунке 17.1, в изображена зависимость тока в нагрузке от напряжения управления .

Вследствие нелинейности сопротивления перехода эмиттер имеет нелинейный характер, где - напряжение отсечки, - напряжение насыщения.

Для перевода транзистора из закрытого состояния в открытое необходимо к - добавить положительное .

Важнейшей характеристикой транзистора является зависимость между током к и током Б. Отношение приращения тока в коллекторной цепи к приращению тока в цепи базы называется коэффициентом усиления по току.


Запирающее напряжение для транзисторов с

Работа транзистора зависит от его температуры. Эта температура определяется температурой окружающей среды и мощностью, выделяющейся в транзисторе при прохождении к нему тока.

Выделяющаяся в режиме О,


Где

При увеличении тока управления растёт ток нагрузки и увеличивается мощность, выделяемая в транзисторе:


Где Напряжение между эмиттером и коллектором.

Наибольшая мощность Выделяется, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению транзистора .


Для получения режима Н необходимо увеличить ток управления до


Где Падение напряжения между эмиттером и коллектором в режиме Н.


Рекомендуемый ток базы:


Мощность выделяемая в транзисторе в режиме Н


И существенно больше мощности

Переход из одного режима в другой происходит так быстро. Что определяющим по нагреву является режим Н. Такой режим транзистора называется ключевым. Режим Н эквивалентен замкнутому состоянию контактов реле, режим О - разомкнутому. Допустимая мощность нагрузки в ключевом режиме больше, чем в режиме линейного непрерывного управления.

На активно-индуктивной нагрузке при переходе из режима Н в режим О наводится большая ЭДС самоиндукции. В результате между коллектором и эмиттером действует сумма напряжения источника питания и ЭДС .

Для снятия перенапряжений нагрузка шунтируется диодом.

ДВУХКАСКАДНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Для получения релейного режима каскадом должно быть не менее двух. Схема двухкаскадного усилителя на рисунке 17.2.

Рисунок 17.2 - Двухкаскадный транзисторный усилитель

Если транзистор VT1 находится в состоянии О, то к базе транзистора VT2 приложено полное напряжение источника питания . VT2 полностью насыщен и через нагрузку течет (рисунок 17.2, а).

Если увеличивать ток в базе VT1, то увеличивается его коллекторный ток. Потенциал на базе VT2 будет уменьшаться, что ведёт к уменьшению тока нагрузки . Когда VT1 будет насыщен к базе VT2 будет приложен потенциал, равный - транзистора VT1. Для отсечки VT2 подается на базу положительный потенциал, чего нельзя получить в схеме рисунка 17.2, а.

Для полной отсечки VT2 вводится запирающее (рисунок 17.2, б), которое создает отрицательный ток базы (рисунок 17.2, б).

Потенциал базы VT2:


Если VT1 находится в режиме О, ток, протекающий через базу VT2 в схеме рисунка 17.2, в, уменьшается по сравнению со схемой рисунка 17.2, а из-за резистора RЗ, что ведет к уменьшению коэффициента усиления каскада в отношении R1/(R1 + RЗ).

Заменив RЗ стабилитроном VD с нелинейным сопротивлением, улучшим показатели усилителя.

РЕЛЕЙНЫЙ РЕЖИМ ДВУХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

При приращении потенциала базы VT1 (рисунок 17.2, в) вызывается одинаковое по знаку и усиленное приращение потенциала на коллекторе VT2.

Пусть ток обратной связи показан штриховой линией (рисунок 17.3).

Рисунок 17.3 - Двухкаскадный транзисторный усилитель с положительной обратной

Ток базы VT1:


Положительный ток управления закрывает VT1, а ток стремится открыть VT1. При отрицательном токе базы:


Зависимость коллекторного тока VT1 и тока нагрузки от тока управления показана на рис. 17.4, а.

Рисунок 17.4 - Характеристики управления каскадов усилителя

При усилитель находится в режиме линейного управления. Переход VT2 из В происходит при изменении тока управления от до . Токи коллектора VT1 равны и . Зона АА в режиме плавного управления.

При увеличении по модулю отрицательного сигнала управления VT1 открывается, а VT2 закрывается. Отрицательный потенциал коллектора VT2 возрастает. Состояние VT1 изменяется от до (рисунок 17.4, в). В точке VT2 полностью закрыт. Ток достигает максимального значения и равен . При увеличении отрицательного сигнала процесс идёт по прямой , параллельной . При уменьшении процесс идет в обратном порядке по ломаной .

При малом значении возникает лавинообразный процесс увеличения тока в VT1 и уменьшения тока в VT2, что приводит к релейному режиму работы.

При зависимость входных и выходных величин показана на рисунке 17.4, д и е. Для надёжной работы берётся . Значение определяется требуемой характеристикой реле (коэффициентом возврата). Для зависимость входных и выходных величин показана на рисунке 17.4 ж и з.

Ток называется током отпускания, а ток током срабатывания. Ширина релейной петли:


Для получения релейного режима необходимо, чтобы сопротивление резистора обратной связи было меньше критического значения:

,


Где коэффициенты усиления по току VT1 и VT2;

Сопротивление между эмиттером и базой VT1.

Если , то . В этом случае неравенство соблюсти невозможно и релейный режим осуществить нельзя. Для получения релейного режима в данной схеме источник сигнала должен иметь большое внутреннее сопротивление , то есть быть источником тока.

Условие релейного режима:

,


Ток переключения:


18 ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОУ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В электрических аппаратах широко применяются операционные усилители (ОУ). ОУ (рисунок 18.1) имеет интегральное исполнение и содержит входной дифференциальный усилитель, промежуточный усилитель и эмиттерный повторитель. Входной дифференциальный каскад содержит два транзистора, на входы которых подаются сигналы и . Выходное напряжение каскада является разностью потенциалов на коллекторных нагрузках этих транзисторов. Такой каскад имеет высокое входное сопротивление и позволяет получить самые разнообразные характеристики вход-выход. Питание ОУ осуществляется от источника с напряжением относительно заземленной шины. В дальнейшем подвод питания к ОУ на рисунках не показывается.

Входной усилитель имеет инвертирующий и неинвертирующий входы. Выход ОУ реагирует на разность потенциалов, приложенных к входам и . Если заземлить и подать положительное приращение напряжения на , то на выходе появится положительное приращение сигнала. При подаче на инвертирующий вход положительного приращения напряжения на выходе происходит отрицательное приращение сигнала.

Наличие двух каналов позволяет использовать ОУ для решения различных логических задач.

Выходные характеристики ОУ показаны на рисунке 18.2. Характеристика каждого канала снимается при заземленном втором входе ОУ. На линейном участке характеристики ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению , доходящий до и выше при большом входном сопротивлении.

Применение на выходе ОУ эмиттерного повторителя снижает выходное сопротивление и делает возможным подключение нагрузки с малым сопротивлением. Из-за влияния температуры и разброса параметров элементов ОУ при нулевом входном сигнале наблюдается небольшой разбаланс , который можно устранить с помощью смещения.

Для защиты от больших входных сигналов на входе включаются два встречно-параллельно включенных диода стабилитрона.

ПРИМЕНЕНИЕ ОУ

В инвертирующем усилителе (рисунок 18.1) с помощью резистора введена отрицательная обратная связь. Поскольку ОУ имеет высокий коэффициент усиления , То входное напряжение . Точка 1 имеет относительно земли нулевой потенциал и изолирована от нее (кажущаяся земля). Входное сопротивление . Тогда


Рисунок 18.1 - Обозначение операционного усилителя

Таким образом, коэффициент усиления равен отношению . Если , то ОУ работает как инвертирующий повторитель . Выходное напряжение равно входному с обратным знаком. При этом выходное сопротивление усилителя близко к нулю.

Обратная связь обеспечивает независимость от разброса параметров элементов схемы и его стабильность при колебаниях температуры.

В неинвертирующем усилителе (рисунок 18.4) обратная связь вводится по инвертирующему входу, а сигнал подается на неинвертирующий вход.

Рисунок 18.2 - Выходные характеристики OУ 1 - для неинвертирующего входа: 2 - для инвертирующего входа

Рисунок 18.3 - Инвертирующий ОУ с отрицательной обратной связью

Схема инвертирующего сумматора (рисунок 18.5) является развитием схемы рисунка 18.3. на входе включается n резисторов, равных по величине.

Выходное напряжение равно сумме входных напряжений.

Рисунок 18.4 – ОУ с отрицательной обратной связью и неинвертирующим входом

Рисунок 18.5 – Сумматор на операционном усилителе с обратным знаком, умноженной на коэффициент усиления ОУ

Схема неинвертирующего сумматора основывается на схеме рисунка 18.4.

Схема интегратора (рисунок 18.6) получается из схемы рисунка 18.3 заменой резистора конденсатором С.

Рисунок 18.6 – Интегратор на операционном усилителе

Изменение входного и выходного напряжения показано на рисунке 18.6, б.

Для сравнения полезного сигнала с опорным, который может быть нулем, положительной или отрицательной величиной, применяется компаратор (рисунок 18.7, а). На инвертирующий вход ОУ подается сигнал, на неинвертирующий – положительная обратная связь через резисторы R1 и R2. Усилитель работает в линейном режиме.

Рисунок 18.7 – Компаратор на операционном усилителе

На рисунке 18.8, а показан компаратор с положительным опорным напряжением. Выходная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 18.8, б.

Эта схема выполняет функцию Триггера – Шмидта или порогового элемента. Если опорное напряжение то характеристика принимает вид рисунка 18.7,б.

Рисунок 18.8 – Компаратор на ОУ в релейном режиме с опорным напряжением