3. Функциональные узлы систем телемеханики

0. Усилители импульсных сигналов

Основное назначение усилительных схем состоит в том, чтобы осуществлять усиление электрических сигналов по мощности. Это означает, что схема должна обеспечивать усиление сигнала или по напряжению при неизменном токе, или по току при неизменном напряжении, или по напряжению и по току. В этом состоит отличие усилителей от пассивных элементов, способных увеличивать одни параметры сигнала за счет ослабления других (типичный пример – трансформаторы, которые могут увеличивать напряжение, но только за счет ослабления тока).

В системах телемеханики усилительные схемы на транзисторах часто используются для усиления прямоугольных импульсов. В этом случае транзисторы, как правило, работают в ключевом режиме. Типичная схема усилительного каскада для импульсного сигнала приведена на рис. 7.

Входной сигнал поступает на базу транзистора через резистор связи R_с. Усиленный сигнал снимается с коллектора транзистора и подается в нагрузку (R_н), в качестве которой может выступать, например, другая транзисторная схема. Если для построения усилителя используются германиевые транзисторы, то для питания схемы часто используется двуполярный источник питания (рис. 7 в). Напряжение смещения подается на базу транзистора через резистор R_см. Таким образом, обеспечивается надежное запирание транзистора.

Резисторы R_с и R_см подбираются таким образом, чтобы при наличии на входе схемы потенциала, близкого к потенциалу U₁, падение напряжения на резисторе смещения было меньше, чем напряжение источника смещения. В этом случае потенциал базы будет выше потенциала эмиттера, транзистор будет находиться в режиме отсечки, коллекторный ток будет отсутствовать, и потенциал на выходе схемы будет иметь минимально возможное значение, определяемое соотношением сопротивления резистора R_к и сопротивления нагрузки. Напряжение на нагрузке в этом режиме максимально и через нагрузку протекает ток, определяемый суммой сопротивлений R_н и R_к (рис. 7 а).

Рис. 7. Схема усилительного каскада и временная диаграмма его работы.

Если потенциал на входе схемы уменьшится до определенной величины, падение напряжения на резисторе Rсм превысит напряжение источника смещения, потенциал базы станет ниже потенциала эмиттера и будет обеспечен базовый ток, достаточный для перехода транзистора в режим насыщения. В этом случае потенциал коллектора увеличится и станет близким к потенциалу U₁, напряжение на нагрузке, станет близким к нулю. Теперь весь ток протекает через открытый транзистор, и его величина определяется сопротивлением R_к (рис. 7 б).

Предположим, что сопротивление нагрузки равно сопротивлению R_к. В этом случае ток, протекающий через нагрузку при закрытом транзисторе, будет вдвое меньше, чем коллекторный ток открытого транзистора, а амплитуда импульсного сигнала на выходе схемы будет вдвое меньше напряжения основного источника питания. Обычно сопротивление резистора R_см выбирают достаточно большим, чтобы ток через этот резистор был значительно меньше, чем ток базы открытого транзистора. В этом случае можно говорить, что ток, потребляемый входной цепью усилителя от источника сигнала примерно равен току базы. Как известно, коллекторный ток транзистора в десятки раз больше соответствующего базового тока. Из этого следует, что ток, отдаваемый усилителем в нагрузку, будет существенно больше, чем ток, потребляемый усилителем от источника сигнала. Иными словами, при соответствующем выборе параметров элементов данная схема способна обеспечивать усиление сигнала по току. Если сопротивление R_c будет достаточно мало, ток базы, приводящий к насыщению транзистора, может быть обеспечен при поступлении на вход усилителя импульсного сигнала с амплитудой, незначительно превышающей прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора. Таким образом, при соответствующих параметрах схемы, амплитуда импульсов на выходе может быть больше, чем амплитуда импульсов на входе. Это означает, что рассматриваемая схема может обеспечивать усиление мощности сигнала как за счет усиления по току, так и за счет усиления по напряжению.

Как было сказано выше, при уменьшении потенциала на входе транзистор открывается, и потенциал на коллекторе увеличивается. Соответственно, при увеличении потенциала на входе транзистор закрывается, и потенциал на коллекторе уменьшается. Из этого следует, что транзисторный каскад, в котором выходной сигнал снимается с коллектора, может быть представлен не только как усилитель, но и как логический элемент, реализующий функцию «НЕ» (инверсию). Данное свойство широко используется в системах телемеханики. Причем, в ряде случаев, транзисторный каскад используется совместно с диодными схемами, что позволяет реализовывать функции «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ».

Если усиления одного транзисторного каскада недостаточно, применяют многокаскадные схемы усилителей. Примеры схем, имеющих два каскада, приведены на рис 8. Схема, представленная на рис 8 а имеет два одинаковых каскада, в каждом из которых выходной сигнал снимается с коллектора. Очевидно, что вся схема в целом не инвертирует проходящий сигнал, так как логическая функция «НЕ» реализуется четное количество раз. Таким образом, выбирая соответствующее количество каскадов можно не только добиваться необходимого коэффициента усиления, но и обеспечивать наличие или отсутствие инверсии.

В схеме, приведенной на рис. 8 б выходной сигнал первого каскада снимается не с коллектора, а с эмиттера транзистора. При закрытом транзисторе Т1 эмиттерный ток отсутствует, потенциал на базе Т2 близок к потенциалу U₂ и транзистор Т2 также закрыт. При переходе транзистора Т1 в режим насыщения потенциал базы Т2 становится близким к потенциалу коллектора Т1.

Рис. 8. Схемы многокаскадных усилителей..

При соответствующем выборе резисторов R_к1 и R_см2 этот потенциал оказывается ниже потенциала U1 и транзистор Т2 также открывается. Эмиттерный ток транзистора Т1 приблизительно равен коллекторному и определяется, в основном, величиной сопротивления R_к1. Этот ток обеспечивает насыщение транзистора Т2. Такое построение усилительного каскада считается более эффективным с точки зрения усиления сигнала по току, так как весь ток эмиттера Т1 поступает в нагрузку (базовую цепь транзистора Т2). Особенностью усилительных каскадов, в которых выходной сигнал снимается с эмиттера, является то, что они не инвертируют сигнал. Действительно, p-n-p транзистор в любом случае открывается при уменьшении потенциала на базе. Потенциал эмиттера транзистора определяется в данной схеме падением напряжения на нагрузке за счет протекания через нее тока эмиттера. Это значит, что при открывании транзистора он также уменьшается.

В ряде случаев нагрузкой усилительного каскада может быть линейная цепь. В этом случае сигнал поступает в нагрузку через трансформатор, первичная обмотка которого включена в коллекторную цепь транзистора вместо резистора R_к. Иногда нагрузка включается непосредственно в коллекторную цепь вместо резистора R_к. Характерным примером такой нагрузки является обмотка электромагнитного реле. Примеры таких схем приведены на рис. 9.

Рис. 9. Схемы усилительных каскадов, с нагрузкой, включенной через трансформатор и с нагрузкой в виде электромагнитного реле.

Полупроводниковый диод Д1 и резистор R1, включенные параллельно обмоткам, служат для рассеивания энергии, накопленной в индуктивности обмоток во время открытого состояния транзисторов. За счет этого исключается резкое понижение потенциала коллектора в момент запирания транзисторов и, как следствие, выход транзисторов из строя. Иногда для этих же целей применяют только один диод (без резистора). В любом случае полярность включения диода должна быть такой, чтобы во время открытого состояния транзистора диод был смещен в обратном направлении и коллекторный ток протекал только через нагрузку. В момент резкого уменьшения коллекторного тока при закрытии транзистора, ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотках, смещает диод в прямом направлении. В этом случае потенциал коллектора становится ниже потенциала отрицательного полюса источника питания на величину, не превышающую падение напряжения на открытом диоде (или на диоде, включенном последовательно с резистором).