2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ТОКА

В различных устройствах автоматики часто требуется получение в нагрузке усилителя среднего выпрямленного значения тока, величина которого пропорциональна входному сигналу. В зависимости от рода тока входного сигнала различают две основные структуры усилителей среднего значения тока.

Если входным сигналом является модулированное по амплитуде переменное напряжение, то усиление сигнала по мощности осуществляется усилителем переменного тока. Усиленный сигнал поступает на вход выпрямляющего устройства. В простейшем случае таким преобразователем является обычный выпрямитель. Когда же необходимо изменение направления тока в нагрузке при изменении да 180° фазы входного напряжения, применяют демодуляторы: пассивные (диодные или транзисторные ключевые) или активные (фазочувствительные усилители) [2].

Если входной сигнал представляет собой медленно меняющееся (постоянное) напряжение, то на входе усилителя среднего значения тока необходим модулятор, преобразующий медленно меняющееся напряжение в переменное с постоянной частотой, амплитуда которого пропорциональна величине входного напряжения, а фаза изменяется на 180° при изменении полярности входного напряжения.

После модуляции напряжение сигнала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем демодулируется. Такое двойное преобразование медленно меняющихся сигналов необходимо потому, что устройство, состоящее из модулятора, усилителя переменного тока и демодулятора, обладает значительно лучшей

стабильностью основных параметров, чем усилитель постоянного тока без преобразования сигнала. Во многих случаях «усложнение» усилителя среднего значения за счет двойного преобразования сигнала является кажущимся, так как демодулятор может являться усилительным каскадом, а модулятор при микроминиатюрном исполнении занимает объем, равный объему обычного транзистора.

Так как усилители переменного тока рассмотрены в предыдущем параграфе, здесь рассмотрим модуляторы и демодуляторы как составные части усилителя среднего значения тока.

Транзисторные модуляторы.

Модуляторы предназначены для преобразования медленно меняющегося напряжения сигнала в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению напряжения сигнала, а фаза изменяется на 180° при изменении полярности напряжения сигнала. Частота переменного напряжения определяется частотой опорного (коммутирующего) напряжения

Рис. III.9. Два транзистора, соединенных по схеме полупроводникового «ключа»

Напряжение сигнала обычно изменяется с частотой до нескольких герц, частота коммутирующего напряжения, в зависимости от источников питания, обычно составляет от 50 до 400—500 Гц и реже до нескольких килогерц.

Основным элементом любого модулятора является прерыватель (переключатель) — устройство, внутреннее сопротивление которого изменяется в определенных пределах с частотой коммутирующего напряжения. В качестве прерывателей в модуляторах, применяемых в усилительных устройствах, используют электромагнитные вибраторы, магнитные усилители, электронные лампы, полупроводниковые диоды и триоды, полупроводниковые приборы, основанные на принципе эффекта Холла и т.

Использование транзисторов в качестве переключателей позволяет построить схемы модуляторов, обладающие весьма высокой линейностью и температурной стабильностью характеристик. Существенным достоинством схем на транзисторах в ключевом режиме является хорошая их воспроизводимость.

Полупроводниковый переключатель, или «ключ», образуется двумя транзисторами, включенными по схеме, изображенной на рис. II 1.9. К коллекторам и базам двух транзисторов подводится опорное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы. При положительном потенциале коллекторов в их цепях протекают прямые токи и оба коллектора могут выполнять роль эмиттеров. При этом каждый из эмиттеров может проводить ток в любом направлении, работая или как диод в прямом направлении, или как коллектор в обратном направлении. Следовательно, цепь может проводить ток в любом направлении, т. е. представляет собой замкнутый ключ.

Следует заметить, что при протекании прямого тока в цепи коллектора эмиттерный переход, используемый как диод в прямом направлении, обладает значительно более низким сопротивлением, чем тот же переход при отключенной цепи коллектора или обычный плоскостной диод. Поэтому вольт-амперная характеристика замкнутого ключа весьма линейна, начиная от долей милливольта подведенного напряжения.

При отрицательном потенциале коллекторов в их цепях протекают лишь незначительные обратные токи. Ни один из эмиттеров не может выполнять роль коллектора. Поэтому при любой поляра ности подведенного напряжения один из эмиттерных переходов запирает цепь и полупроводниковый переключатель будет разомкнут.

Рис. III. 10. Ключевые модуляторы: а — двухполупериодный с трансформаторной связью с нагрузкой; б — однополупериодный с реостатно-емкостной связью с нагрузкой

Связь полупроводникового переключателя с нагрузкой может быть трансформаторной или реостатно-емкостной (рис. III. 10).

Рассмотрим основные расчетные соотношения для некоторых схем модуляторов на транзисторах в ключевом режиме.

Входное сопротивление модулятора определим как отношение напряжения источника сигнала к среднему значению входного тока за период коммутации. Коэффициент передачи модулятора по напряжению определим как отношение действующего значения первой гармоники напряжения на сопротивлении нагрузки к напряжению источника сигнала.

Напряжение на нагрузке модулятора полагаем прямоугольным. Сопротивление нагрузки есть приведенное к выходным клеммам модулятора сопротивление нагрузки по переменному току. Сопротивление эмиттерного перехода в обратном направлении при запертой цепи коллектора обозначим Приближенные выражения соответствуют условию что справедливо при обратном

токе эмиттера, значительно меньшем по сравнению с входным током проводящего полупериода.

Для двухполупериодного модулятора с трансформаторным выходом (рис. III. 10, а) будем иметь

Для однополупериодного модулятора с реостатно-емкостным выходом и одним прерывателем (рис. III.10, б) получим следующие приближенные выражения:

где

В настоящее время применяются транзисторные модуляторы в интегральном исполнении. Величина ложного сигнала на выходе интегрального переключателя может не превышать Таким образом, большинство практических задач сейчас могут быть решены без применения механических переключателей.