4-7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Полупроводниковые триоды (транзисторы) находят разнообразное применение в современной автоматике. Применения полупроводниковых триодов можно разбить на две группы. Первая группа имеет аналоги среди устройств на электронных лампах. В этой группе полупроводниковые триоды заменяют - электронные лампы, внося, конечно, количественные и качественные особенности в работу соответствующих устройств. К первой группе относятся полупроводниковые усилители различных типов, модуляторы и демодуляторы, триггеры на полупроводниках и другие устройства.

Вторую группу составляют такие применения полупроводниковых триодов, которые не имеют аналогов в виде устройств на электронных лампах. К этой группе относятся преобразователи постоянного тока в переменный, полупроводниковые устройства бесконтактной коммутации и др.

Почти все типы электронных: усилителей, применяемых в автоматике, имеют аналоги в виде схем на полупроводниковых триодах.

Нестабильность характеристик: полупроводниковых триодов, зависимость характеристик от температуры, разброс параметров от триода к триоду ограничивают практическое использование некоторых типов устройств, например полупроводниковых усилителей постоянного тока.

Улучшение показателей транзисторов, связанное с совершенствованием технологии изготовления, в сочетании с общеизвестными их. ценными качествами: экономичностью, надежностью, большим сроком службы, малыми габаритами обусловливают расширяющееся применение полупроводников.

Полупроводниковые усилители не обладают строго однонаправленным действием и имеют относительно невысокие входное и выходное сопротивления. Вследствие этого полупроводниковый усилитель всегда следует рассматривать как активный, в общем случае нелинейный четырехполюсник.

Применяются два метода расчета полупроводниковых усилителей. Первый метод — графический, используется при больших сигналах, сопоставимых с предельными сигналами усилителя. Второй метод — анализ эквивалентного линейного активного

Рис. 4-54. Схемы и эквивалентные схемы усилителей на полупроводниковых триодах. а — схема с общим эмиттером; б - схема с общей базой; в — схема с общим коллектором.

четырехполюсника, используется при небольших сигналах.

Каскады (предварительного усиления, как правило, работают при небольших сигналах, и расчет этих каскадов удобно производить вторым методом. Кроме того, в линейных системах регулирования сигналы предельной величины появляются сравнительно редко: большую часть времени система автоматического регулирования работает при малых сигналах рассогласования.

Вследствие этого кратко рассмотрим лишь второй метод анализа усилителей — метод эквивалентного линейного четырехполюсника.

Как в диапазоне инфранизких частот сигнала управления систем постоянного тока, так и в диапазоне звуковых несущих частот систем переменного тока внутренние сопротивления полупроводниковых триодов могут приниматься чисто активными (омическими). Емкостные составляющие внутренних сопротивлений проявляются лишь при частотах в десятки, сотни килогерц и выше.

Как известно, существуют три схемы усилителей на полупроводниковых триодах: схема с общим эмиттером, схема с общей базой и схема с общим коллектором. Эти схемы и эквивалентные схемы четырехполюсников представлены на рис. 4-54. На этих схемах: сопротивление базы, имеющее порядок нескольких сотен ом для плоскостных триодов; сопротивление эмиттера, имеющее порядок нескольких десятков ом для плоскостных триодов; сопротивление коллектора, имеющее порядок мегома для плоскостных триодов. На схемах рис. 4-54 обозначено также сопротивление напряжение на котором пропорционально току эмиттера. Это сопротивление носит название генераторного сопротивления и отображает основное свойство активного

четырехполюсника — способность усиления сигнала. Генераторное сопротивление имеет порядок 30 ком для точечных триодов и порядок для плоскостных триодов. Полярность напряжения на генераторном сопротивлении всегда такова, что способствует увеличению тока в цепи нагрузки.

Помимо сопротивлений основных параметров полупроводниковых триодов, в. схемах усилителей на рис. 4-54 обозначены сопротивления: во входной цели и — в цепи нагрузки.

В теории полупроводниковых усилителей наряду с указанными параметрами широко попользуется параметр а, приближенно равный отношению генераторного сопротивления к сопротивлению коллектора

Для плоскостных триодов типовым значением а является 0,96. Для точечных триодов

Расчет каскада полупроводникового усилителя имеет целью определить выходное и входное сопротивления, коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по мощности. Все эти параметры удобно определить по общим соотношениям линейного четырехполюсника, рассмотренным § 2-10.

Для схемы с общим эмиттером согласно изображенной на рис. 4-54,а эквивалентной схеме справедливы следующие уравнения напряжений:

Входными величинами данного четырехполюсника являются выходными величинами четырехполюсника служат Поэтому записанную систему уравнений удобно преобразовать к виду

Здесь

Величина

отлична от единицы, так как четырехполюсник активный.

Передаточная функция напряжений нагруженного четырехполюсника в данном случае представляет собой коэффициент усиления по напряжению и равна:

Наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет место при Этот коэффициент усиления равен:

и может достигать 102 для точечных триодов и для плоскостных триодов,

Внутреннее сопротивление со стороны выхода согласно общим формулам четырехполюсника равно:

Для точечных триодов это сопротивление обычно отрицательно. Поэтому процесс в точечном триоде, включенном по схеме с общим эмиттером при без применения специальных мер неустойчив. Причина неустойчивости — глубокая обратная связь, существующая в самом полупроводниковом триоде. Для придания устойчивости при последовательно с коллектором включают сопротивление. Для

плоскостных триодов Явых всегда положительно и схема устойчива.

Пользуясь формулами четырехполюсника, можно аналогичным образом определить основные параметры для всех трех схем полупроводниковых усилителей. Соответствующие соотношения приведены в справочной литературе [Л. 4-3].

Следует отметить, что каждая из схем полупроводниковых усилителей имеет свою область целесообразного применения.

Усилители с общим эмиттером обладают относительно высоким внутренним сопротивлением со стороны выхода (десятки килоом), высоким усилением по напряжению и мощности.

Усилители с общей базой имеют относительно низкое входное сопротивление ом), высокое внутреннее сопротивление со стороны выхода для плоскостных триодов), существенно меньшее, чем для схемы с общим эмиттером, усиление по напряжению и мощности.

Усилители с общим коллектором имеют высокое входное сопротивление (порядка низкое выходное сопротивление, создают ослабление сигнала по напряжению и мощности, но усиление по току (плоскостные триоды). Эти усилители во многом аналогичны катодным повторителям.

Для обеспечения условий согласования каскадов в многокаскадных усилителях без применения согласующих трансформаторов иногда используют чередование каскадов с различными схемами.

Большое значение в автоматике приобретают мощные усилители на полупроводниковых триодах, работающие в релейном или ключевом режимах. Выходная полезная мощность силового каскада усилителя ограничивается прежде всего количеством тепла, выделяемым в этом каскаде. Количество выделяемого за единицу времени тепла и обусловленный этим теплом нагрев усилителя в свою очередь определяются к. п. д. усилителя. В релейном или ключевом режиме работы полупроводниковых триодов к. п. д., равный отношению мощности в нагрузке к мощности питания, может быть весьма высоким. Действительно, для мощных полупроводниковых триодов, например рассчитанных на коллекторные токи в 10— 20 а, сопротивление участка эмиттер—коллектор для открытого состояния мало, а для закрытого — велико. Это означает, что как в открытом состоянии, когда мало сопротивление, так и в закрытом состоянии, когда мал ток, рассеиваемая в триоде мощность невелика. Положение здесь примерно то жег что и в релейных усилителях, использующих контакты. При замкнутых контактах их проходное сопротивление весьма мало и количество выделяемого тепла невелико» даже при большой силе тока. При разомкнутых контактах сопротивление практически равно бесконечности и количество выделяемого тепла равно нулю. Если размыкание контактов происходит достаточно быстро, то среднее количество тепла, выделяемое на контактной группе, оказывается небольшим. Этим объясняется высокая удельная мощность релейных усилителей, использующих контакты. Такое же положение имеет место для силовых усилителей на полупроводниковых триодах, работающих в ключевом режиме.

Для получения плавных зависимостей средних значений выходных: величин от входных в релейных полупроводниковых усилителях применяется вибрационная линеаризация (см. § 4-5). Применение

Рис. 4-55. Схема триггера на полупроводниковых триодах.

вибрационной линеаризации в полупроводниковых релейных усилителях имеет еще большие возможности, чем в усилителях на электромагнитных реле, так как время «срабатывания полупроводникового триода измеряется микросекундами, а для высокочастотных триодов — и долями микросекунды.

Релейный режим работы полупроводниковых триодов широко используется не только в силовых усилителях, но и в элементах вычислительных машин и других устройствах.

На рис. 4-55 приведена одна из схем триггера на полупроводниковых триодах. Триоды включены по схеме с общим эмиттером. Схема является аналогом триггера на электронных лампах. Запускающие «мпульсы подаются на базы триодов через конденсаторы Для уменьшения времени срабатывания триггера параллельно сопротивлениям включают небольшие емкости.

В настоящее время отчетливо видно, что создание и внедрение полупроводниковых триодов и печатных схем явилось лишь первым этапом важнейшего направления развития электроники, именуемого миниатюризацией электронного оборудования. В современный период создаются микромодули и молекулярная электроника, которые способны обеспечить дальнейшее резкое увеличение числа несиловых (информационных) электронных элементов в единице объема. Электронные системы преобразования и обработки информации в недалеком будущем, по-видимому, будут напоминать нервные сети живых организмов, состоящие из множества нервных клеток микроскопических размеров.