Операционные усилители

В современных электронных устройствах и вычислительных машинах для преобразования сигнала применяются операционные усилители ОУ. Под ОУ принято понимать микросхему – усилитель постоянного тока, имеющий два входа и, как правило, один выход. ОУ обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

На рис.6.21 представлена базовая схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью. Знаком плюс отмечен неинвертирующий вход, на который через подается входной сигнал. Знаком минус отмечен инвертирующий вход, на который через комплексное сопротивление подается напряжение обратной связи. Коэффициент усиления ОУ – К. Напряжение на входе ОУ , на выходе ОУ .

Рис.6.21. Схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью

Для упрощения расчета электронных схем вводят понятие линейного идеального ОУ, для которого принимают: , , , тогда:

,

Для усилителя (рис.6.21) по первому закону Кирхгофа:

,

т.к. для ОУ:

, то

Выразив токи через соответствующие им напряжения, получим:

,

с учетом того, что для ОУ

.

Таким образом, величину коэффициента усиления усилителя можно регулировать величиной сопротивления обратной связи .

На основе ОУ выполняются различные преобразователи сигналов. Так, например, для изменения временных параметров импульсов, а также их формы применяются дифференцирующие и интегрирующие устройства.

Для дифференциатора на идеальном ОУ (рис.6.22):

Рис.6.22. Схема дифференциатора на идеальном ОУ

,

т.к. , то:

, , ,

Поэтому:

,

где – постоянная времени цепи.

Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален дифференциалу входного сигнала, причем для повышения точности дифференцирования необходимо, чтобы постоянная времени цепи была как можно меньше длительности входного импульса.

Для интегратора на идеальном ОУ (рис.6.23):

Рис.6.23 Схема интегратора на ОУ

, , ,

тогда:

Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален интегралу входного сигнала, причем интегрирование тем точнее, чем больше величина постоянной времени цепи по сравнению с периодом сигнала на входе.

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, использующиеся в качестве генератора разверток осциллографов, мониторов телевизионных систем и.д.

Тиристоры. Управляемые выпрямители

Очень интересный полупроводниковый прибор получается при объединении четырех полупроводниковых зон с различными типами электропроводности.

На рис. 9.12 показан тиристор n-p-n-p-типа. По сравнению с транзистором n-p-n-типа он имеет ещё один полупроводниковый слой p-типа.

Рис. 9.12

Крайние области полупроводника называют анодом (p-область) и катодом (n-область). Тиристор обладает тремя p-n-переходами, обозначенными на рисунке П1, П2 и П3. Анодное напряжение включено так, что переходы П1 и П3 работают в прямом направлении, а переход П2 - в обратном. Две промежуточные области называют p- базой и n- базой. В области p-базы расположен управляющий электрод.

Добавление четвертого слоя существенно изменяет свойства полупроводникового прибора.

При включении анодного напряжения U сопротивление обратного p-n-перехода П2 очень велико, и ток в цепи тиристора практически равен нулю.

Если на p-базу подать управляющее напряжение u_у, то, как и в обычном транзисторе, электроны, образованные в области катода, пройдут через p-базу и попадут в область n-базы, в которой будет наблюдаться избыток электронов.

В результате возникает встречное движение дырок из p-области анода, которые проходят p-базу и вызывают дополнительное движение электронов из n-области катода. Развивается лавинообразный процесс, и ток в цепи резко, скачком, возрастает.

Если теперь отключить управляющее напряжение, то ток в цепи не изменится. Это объясняется тем, что на p-базе и n-базе накоплено много электронов и дырок, которые продолжают «притягивать» заряды противоположного знака с анода и катода.

В этом заключается принципиальное отличие тиристора от транзистора. В транзисторе величина тока коллектора увеличивается и уменьшается в зависимости от изменения напряжения на базе. Напряжение на базе тиристора может «открыть» цепь тиристора, но после этого тиристор теряет управление, и величина тока уже не зависит от напряжения на базе.

Для того чтобы отключить ток в «открытой» цепи тиристора, необходимо отключить анодное напряжение, после чего носители зарядов на p- и n-базах рассасываются, и тиристор возвращается в исходное состояние.

Используют тиристор как переключающий прибор. На это указывает и его название, которое образовано от греческого слова «тира» - «дверь».

Тиристоры - очень мощные полупроводниковые приборы. Они могут переключать цепи, токи в которых достигают сотен и даже тысяч ампер. Напряжение в таких цепях тоже может быть достаточно высоким - до нескольких тысяч вольт.

В качестве примера одного из применений тиристора рассмотрим схему управляемого однофазного однополупериодного тиристорного выпрямителя.

Принцип действия такого выпрямителя поясняется на рис. 9.13. На этом же рисунке дано условное изображение тиристора.

а б

Рис. 9.13

Так же как и диод, тиристор не проводит ток в отрицательную полуволну питающего напряжения (изображена пунктиром на рис. 9.13,б). Но и в положительную полуволну тиристор открывает цепь тока не сразу, а только после того, как на управляющий электрод будет подан импульс напряжения. В этот момент тиристор открывается, и в цепи появляется ток. Сопротивление тиристора резко уменьшается, и все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке.

После этого тиристор теряет управление и закрывается только после того, как анодное напряжение снизится до нуля. В следующий положительный полупериод снова подается управляющий импульс, который открывает тиристор, и т.д.

В результате напряжение на нагрузке будет состоять из кусочков синусоиды, повторяющихся с частотой сети.

График этого напряжения заштрихован на рис. 9.13, б. На этом же рисунке обозначено среднее значение выпрямленного напряжения, которое пропорционально заштрихованной площади. Под графиком напряжения на нагрузке показаны импульсы управляющего напряжения u_у. Видно, что они смещены на время t относительно начала положительной полуволны питающего напряжения.

Для того чтобы регулировать величину среднего выпрямленного напряжения, достаточно просто смещать управляющие импульсы во времени, изменяя время t.

Выпрямитель, показанный на рис. 9.13, а, весьма примитивен. Он имеет большую пульсацию выпрямленного напряжения и редко применяется. Однако по этому принципу выполняют и более сложные и совершенные многофазные управляющие выпрямители.

Вопросы самостоятельного изучения

Тема	Форма контроля
1. Передача энергии от источника к нагрузке. Режимы работы двухпроводной линии передачи.	Лабораторная работа
2. Метод наложения	РГР (контрольная работа)
3. Применение векторных диаграмм к анализу цепей синусоидального тока	РГР (контрольная работа) Лабораторные работы
4. Способы соединения фаз трехфазного источника	Лабораторные работы
5. Виды измерительных приборов	Лабораторные работы
6. Электроснабжение и электробезопасность	Лабораторные работы Студенческие рефераты, доклады
7. Электронно-вычислительная техника	Компьютерное моделирование