Полупроводниковые усилители. Исполнитель

Полупроводниковые усилители.

Цель: изучение полупроводниковых усилителей, их назначения и классификации.

План:

Назначение и классификация.

Режимы работы транзисторов в усилительном каскаде.

Обратная связь в электронных усилителях.

Усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока.

{spoiler=Подробнее}

Вопрос: Усилительные элементы электромеханических усилителей? 1. Назначение и классификация.

В системах автоматического управления средней и большой мощности электронным усилителям отводится роль предварительного усилителя, обеспечивающего работу оконечного мощного каскада усиления, являющегося магнитным, электромашинным или электромеханическим усилителем.

Предварительный усилитель используется в качестве сопрягающего элемента, осуществляющего согласование выходного сопротивления первичного источника информации с входным сопротивлением усилителя мощности.

В маломощных системах электронный усилитель обычно является единственным типом усилителя, поскольку мощность его выходного сигнала оказывается достаточной для приведения в действие исполнительного устройства.

Электронные усилители можно подразделить по величине выходной мощности на усилители напряжения и усилители мощности; по числу ступеней усиления - на однокаскадные и многокаскадные; по способностям реагировать на фазу или полярность входного сигнала - на однотактные и двухтактные усилители; по роду усиливаемых сигналов - на усилители постоянного и переменного тока; по типу применяемых электронных приборов - на ламповые, транзисторные и тиристорные; по характеру реализации схемы - на усилители с сосредоточенными элементами схемы и усилители, выполненные на интегральных схемах.

Учитывая, что работа лампового и полупроводникового усилителей во многом подобны, остановимся на изучении только полупроводниковых усилителей, получивших в последнее время наиболее широкое применение в технике систем автоматического управления и контроля, особенно в связи с появлением интегральных схем, хорошо отвечающих требованиям стандартизации элементов.

Вопрос:  Какая роль отводится электронным усилителям в системе автоматического управления? 2. Режимы работы транзисторов в усилительном каскаде.

При анализе режимов работы транзисторов воспользуемся наиболее распространенным способом включения полупроводникового триода - схемой с общим эмиттером.

Различают следующие режимы работы транзистора: А, В, АВ, D,C. Рассмотрим кратко каждый из них.

Режим А. на базу триода подается смещение такого знака и величины, что при действии входного сигнала токи в цепях его электродов изменяются плавно и отсечки тока не происходит, т.е. форма кривой тока в цепи коллектора не отличается от формы кривой усиливаемого сигнала. В этом режиме выполняется условие усиления сигнала без нелинейных искажений, что достигается путем выбора рабочей точки покоя (при отсутствии входного сигнала) в середине квазилинейного участка проходной характеристики триода. Используется режим А в системах автоматики при построении низкочастотных усилителей переменного тока.

Режим В. Смещение на базу не подается, в результате чего рабочая точка покоя оказывается на границе квазилинейного участка проходной характеристики, а именно в той его части, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Тогда при отсутствии входного сигнала ток в цепи коллектора близок по величине к нулю, а при появлении сигнала на входе коллекторной цепи возникают импульсы тока только в «отпирающие» полупериоды, а в полупериоды противоположного знака токи отсутствуют. Для режима В характерно применение двухтактной схемы, построенной на двух усилителях, каждый из которых усиливает положительную или отрицательную полуволну соответственно, а в нагрузке эти полуволны, складываясь, образуют синусоиду.

Режим АВ. На базу транзистора подается смещение, при котором ток коллектора покоя в отсутствие входного сигнала больше, чем в режиме В, но меньше, чем в режиме А. Тогда при малой амплитуде входного сигнала усилитель работает в режиме А, а при больших амплитудах усиливаемого сигнала - в режиме В. Режим работы АВ часто применяют при создании двухтактных оконечных каскадов низкой частоты.

Режим С. Этот режим отличается от режима В только длительностью отсечки коллекторного тока, которая превосходит половину периода. Применяется режим С в генераторах колебаний.

Режим D. Это ключевой режим, при котором транзистор используется в качестве переключателя. Ток в цепи коллектора представляет собой последовательность импульсов в случае подачи на вход синусоидального колебания. Такой режим применяется при создании импульсных устройств систем автоматического управления и других дискретных элементов. Вопрос: В каких режимах работают транзисторы в усилительном каскаде?

3.      Обратная связь в электронных усилителях.

Обратной связью в электронных усилителях, как и в других, ранее рассмотренных элементах автоматики, называют цепь передачи части энергии выходного сигнала усилителя на его вход. Цепь обратной связи может быть специально вводимой для изменения статических и динамических характеристик усилителя в нужную сторону, или паразитной, возникающей помимо желания разработчика вследствие влияния выходных цепей усилителя на его входные цепи из-за наличия электрических и магнитных связей между ними.

В электронных усилителях преимущественно применяется отрицательная обратная связь, при которой напряжение, подаваемое через цепь обратной связи на вход усилителя, сдвинуто по фазе на 180° относительно входного напряжения или противоположно ему по знаку. Такой вид обратно связи приводит к снижению коэффициента усиления, однако позволяет повысить его стабильность, уменьшить искажения всех видов, снизить уровень помехи, создаваемой действием посторонних магнитных и электрических полей, а также пульсаций источников питания. Однако следует помнить, что если усилить или цепь обратной связи содержат фазосдвигающие (инерционные) элементы, то при изменении частоты входного сигнала характер обратной связи может изменяться, т.е. обратная связь может стать положительной, в результате чего усилитель может потерять устойчивость и перейти в режим генератора.

В зависимости от способа отбора энергии из выходной цепи усилителя обратные связи подразделяются на обратные связи по напряжению, по току и комбинированные. По способу подачи энергии во входную цепь различают последовательную обратную связь, параллельную и смешанную. Комбинация перечисленных способов введения обратной связи дает девять различных схем включения обратной связи. Однако наибольшее практическое применение нашла последовательная обратная связь по напряжению. Это объясняется тем, что электронные усилители, построенные по такой схеме, имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, и, следовательно, допускают простое согласование цепей усилителя с предыдущим и последующим элементами автоматики, входящими в структуру канала управления. Вопрос: в чем заключается обратная связь в электронных усилителях?

4.       Усилители переменного тока.

Усилители переменного тока, применяемые в системах автоматического управления и контроля, представляют собой усилители низкой частоты (УНЧ), важнейшей особенностью которых является то, что требование к их полосе пропускания значительно слабее, чем к УНЧ радиотехнических систем, поскольку они работают на фиксированной несущей частоте. Т.к. частота управляющего сигнала, используемого для модулирования колебаний несущей частоты, находится в диапазоне 0...50Гц, то полоса пропускания такого усилителя может быть достаточно узкой (80... 100Гц). Усилители низкой частоты принято делить на усилители напряжения и усилители мощности.

Усилители напряжения обычно являются предварительными усилителями сигнала и используются в качеств первых каскадов усиления. Выполняются они обычно на сопротивлениях с емкостной связью между каскадами по однотактной схеме.

Питание цепей транзисторного усилителя производят от одного общего источника постоянного тока, режим работы транзистора устанавливается путем подачи на базу относительно эмиттера небольшого отрицательного смещения. Наиболее простым способом подачи смещения является смещение фиксированным напряжением эмиттера -база, которое позволяет производить замену транзисторов, дает удовлетворительные результаты при небольших температурных изменениях, хотя и допускает расход дополнительной мощности за счет потери энергии в делителе.

Поскольку параметры транзисторов зависят от температуры рабочей среды, то при ее изменении будет меняться рабочий режим триода по постоянному току, что в свою очередь вызовет дополнительное изменение усилительных свойств транзистора. Для устранения    этого    недостатка    применяют    схемы    стабилизации    рабочей    точки отрицательной обратной связью по постоянному току.

Вопрос: На каике усилители делятся усилители переменного тока?

5. Усилители постоянного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся сигналов и имеют равномерную амплитудно - частотную характеристику в интервале частот от нуля до нескольких килогерц.

Необходимость применения таких усилителей в системах автоматического управления и контроля вызвано наличием источников первичной информации, выходом которых является напряжение постоянного тока, пропорциональное рассогласованию.

По принципу действия и по схемному исполнению усилители постоянного тока делятся на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усиление медленно меняющихся сигналов с помощью УПТ прямого усиления осуществляется благодаря особенностям связи между каскадами, состоящим в том, что вход последующего каскада соединяют с выходом предыдущего непосредственно через активные сопротивления или с помощью гальванической связи между каскадами. Таким образом, в подобных усилителях не используются детали, сопротивления которых зависят от частоты: конденсатора, дросселя, трансформаторы.

Применение непосредственной связи между каскадами приводит к следующим недостаткам: 1) появлению постоянной составляющей в цепи базы последующего каскада за счет падения напряжения на выходных электродах предыдущего каскада; 2) возникновению медленного самопроизвольного изменения выходного тока транзисторов при отсутствии сигнала на входе (дрейф нуля) за счет изменения параметров транзисторов с возрастанием температуры или в результате колебания напряжения источника питания. Контрольные вопросы:

Назначение и классификация полупроводниковых усилителей?

Режимы работы транзисторов в усилительном каскаде?

Обратная связь в электронных усилителях?

Отличия между усилителями переменного и постоянного тока?

Литература:    «Элементы   систем   автоматического   управления   и   контроля.»   Н.И. Подлесный,    В.Г. Рубанов.

{/spoilers}