Лекции по "Эллектротехнике"

Достоинства полевых транзисторов.

1. Высокое входное сопротивление.
2. Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.
3. Высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах.

 

 

 

3. Тиристоры.

Общие сведения.

 Тиристор –полупроводниковый  прибор с тремя и более p-n переходами. Тиристоры могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов ом, и он практически не пропускает ток при напряжениях до десятков вольт. В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно. Падение напряжения на нём около 1 В при токах в десятки и сотни ампер. Переход тиристоров из одного состояния в другое происходит за очень короткое время, практически скачком.

Тиристоры выпускают двух видов – диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры (тринисторы).

Динистор (неуправляемый тиристор).

ЭП1 и ЭП2 – эмиттерные переходы;  КП – коллекторный переход.

Динисторы имеют два внешних электрода (анод и катод) и обладают неизмен ным напряжением включения. Тринисторы кроме катода и анода имеют третий электрод (управляющий). Он позволяет не меняя анодного напряжения , изменять напряжение включения.

Переход динистора из закрытого состояния в открытое происходит при увеличении напряжения на нём до значения Uвкл. (напряжение включения). При этом напряжении происходит лавинное размножение электронов и дырок, т.е лавинный рост тока, который ограничивается падением напряжения на резисторе R. Лавинному процессу динистора соответствуют участки II и III ВАХ. Участок II является переходным между участками I и III. Участок III соответствует открытому состоянию динистора. На этом участке сопротивление динистора и падение напряжения на нём (Uост) невелики.

При уменьшении тока динистора до значения Iвыкл, динистор переходит в закрытое состояние. Таким образом, динистор может находиться в закрытом или открытом состоянии.

Основное применение динисторов – схемы с ключевым режимом работы.

Тринистор (управляемый тиристор).

Существенным недостатком динистора является невозможность управлять напряжением включения, не изменяя напряжения между анодом и катодом. Этот недостаток устранён в управляемом тиристоре (тринисторе).

Для открытия триностора достаточно подать кратковременный импульс управляющего тока      (I упр) значительно меньшей величины, чем ток в нагрузке тринистора R. После перехода тринистора в открытое состояние управляющий электрод теряет свои управляющие свойства. Для перевода тринистора в закрытое состояние нужно уменьшить напряжение на его аноде до значения, при котором ток тринистора станет меньше тока включения Iвкл, или подать на управляющий электрод импульс обратной полярности.

С увеличением управляющего тока уменьшается потенциальный барьер коллекторного перехода КП, что приводит к росту тока и уменшению напряжения переключения, при котором тринистор открывается.

Параметры тиристоров.

1. Напряжение включения Uвкл – прямое напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого в открытое состояние (от единиц до нескольких тысяч вольт).
2. Ток включения Iвкл – прямой ток, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
3. Ток управления Iупр – наименьший ток в цепи управляющего электрода, при котором тиристор переходит в открытое состояние. Управляющий ток обуславливается управляющим напряжением. Он значительно меньше тока, протекающего через тиристор.
4. Ток выключения Iвыкл – ток, меньше которого тиристор переходит в закрытое состояние. С ростом Iупр значение Iвыкл уменьшается.
5. Остаточное напряжение Uост – напряжение, соответствующее открытому состоянию тиристора (1-2 В).
6. Время включения tвкл – время, в течение которого ток тиристора возрастпет до 0,9 установившегося значения с момента подачи управляющего импульса (1 мкс).
7. Время выключения tвыкл – время в течение которого тиристор успевает перейти из открытого в закрытое состояние (10-20 мкс).

Применение тринисторов.

1. Электронные выключатели (ключи).
2. Управляемые выпрямители.
3. Преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы).
4. Регуляторы мощности (триммеры).

 

 

Лекция № 34.

Тема 8.3. Электронные усилители.

1. .

В различных электронных устройствах часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов (напряжения, тока или мощности). Для решения этой задачи используют электронные усилители.

1. Принцип работы усилителя.

 

Входное напряжение, которое нужно усилить, подаётся от источника колебаний ИК на участок база-эмиттер. На базу подано так же напряжение от источника , которое является прямым напряжением для эмиттерного перехода и называется напряжением смещения.

Цепь коллектора (выходная цепь)питается от источника . Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка .

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника делится между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением транзистора r0.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Это вызывает изменение сопротивления r0. Тогда напряжение источника E2 будет перераспределяться между Rн и r0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз больше, входного переменного напряжения. Изменения тока коллектора (он является выходным током) почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы, являющегося входным током. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником .

Рассмотрим работу усилительного каскада на числовом примере. Пусть питающие напряжения равны и , Сопротивление резистора нагрузки и сопротивление транзистора r0также равно 4 кОм, т.е.полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который приближённо можно считать равным току эмиттера, составляет . Напряжение разделится пополам и напряжения на и на внутреннем сопротивлении транзистора будут по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становиться равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастёт до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5∙4 = 10 В, а падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора уменьшится до 12-10=2 В. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение минус 0,1 В, произойдёт обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет равным 0,2-0,1=0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшаться до 0,5 мА. На резисторе падение напряжения уменьшится до 0,5∙4=2 В, а на внутреннем сопротивлении транзистора оно возрастёт до 12-2=10 В. Таким образом, подача  на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения.

2. Классификация усилителей.
1. По роду усилительных элементов: ламповые и транзисторные.
2. По роду усиливаемых сигналов: усилители напряжения, тока и мощности.
3. По числу каскадов: одно-, двух- и многокаскадные.
4. По диапазону усиливаемых сигналов, в котором усилитель обеспечивает нормальную работу:

а) усилители низкой частоты (УНЧ), которые служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц);

б) усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазона частот от нуля до некоторой частоты;

в) избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в небольшой полосе частот; как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ);

г) импульсные, или широкополосные усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

3. Основные  технические характеристики усилителей.

1. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение (ток, мощность) на выходе усилителя больше, чем на входе.коэффицинет усиления часто выражают в децибелах. Одному белу соответствует усиление в десять раз.
2. Выходная мощность – это мощность, которая выделяется на нагрузке, присоединённой к выходу усилителя.
3. Коэффициент полезного действия определяется отношением выходной мощности к мощности, развиваемой всеми источниками питания усилителя.
4. Частотные искажения – это искажения, вызванные различной степенью усиления на различных частотах.
5. Фазовые искажения – это искажения, вызванные непропорциональным сдвигом фаз между входным и выходным напряжением на разных частотах. Фазовых искажений не будет, если  при усилении сдвиг фаз между входным и выходным напряжением остаётся постоянным для всех частот или он изменяется пропорционально частоте.

В усилителях телевизионных сигналов и в радиолокационных приёмниках фазовые искажения могут заметно исказить воспроизведение изображения на экране приёмника.

6. Нелинейные искажения проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.

 

 

Лекция № 35.

Тема 8.3. Электронные усилители.

Предварительный каскад УНЧ.

1. Принципиальная схема каскада.

Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого могут быть громкоговоритель, катушка реле, катушка измерительного прибора и т.д. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы выходного устройства. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.

В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы.

Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 8.23,а). синусоидальное напряжение подают на участок база-эмиттер через разделительный конденсатор , что создаёт пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей . Значение определяется напряжением источника Ек и сопротивлением резистора Rб. изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки Rк. Переменная составляющая тока коллектора создаёт на выходе каскада усиленное по амплитуде напряжение .

Графический расчёт каскада.

Расчёт предварительного каскада можно произвести графически с использованием входных и выходных статических характеристик, приведённых на рис. 8.23,би в. Если сопротивление и напряжение источника Ек заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D. При этом точка D определяется значением Ek, а точка c – током . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Для того чтобы линейные искажения сигнала на выходе были минимальными, рабочий участок линии нагрузки должен находиться между точками её пересечения с выходными характеристиками в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок AB линии нагрузки.

Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка O. Проекция отрезка ОА на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения ( напряжения на выходе). Рабочая точка О определяет ток коллектора Iк0и напряжение на коллекторе Uкэ0, соответствующие режиму покоя (рис 8.23,б).

Кроме того точка, О определяет ток покоя базы iб0, а следовательно, и положение рабочей точки О`на входной характеристике (рис. 8.23,в). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки A` и B` на входной характеристике. Проекция отрезка A`O` на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала Uвх m, при котором будет обеспечен режим минимальных искажений.

 

 

 

Лекция № 36.

Тема 8.3. Электронные усилители.

Выходной каскад УНЧ.

В устройствах автоматики нагрузкой выходного каскада УНЧ может быть электромагнитное реле, электродвигатель или какой-нибудь другой исполнительный механизм.

Выходной каскад, так же как и предварительный каскад УНЧ, может быть собран на транзисторе по схеме с общим эмиттером. Сопротивление нагрузки Rн обычно гораздо меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи Rвн к, поэтому мощность, которая выделяется на нагрузке, включённой непосредственно в цепь коллектора будет весьма мала. Для того чтобы эта мощность была максимально возможной, необходимо чтобы Rн = Rвн к. для этого применяют согласующие трансформаторы. Схемы однотактного усилителя мощности с согласующим трансформатором (рис. 8.24)применяют в том случае, если выходная мощность не превышает 3-5 Вт.