5.5. Зависимость работы тиристора от температуры

Тиристоры применяются для переключения больших токов от сотен миллиампер до сотен ампер. При прохождении таких токов в тиристоре происходит рассеивание большой мощности, сопровождаемое значительным нагревом, несмотря на специально принятые меры для улучшения теплоотвода. Поэтому важно рассмотреть вопрос о температурной зависимости параметров тиристора.

С повышением температуры:

1. сильно возрастает значение тока в закрытом состоянии;

2. возрастают коэффициенты передачи тока транзисторов;

3. возрастает время выключения, так как увеличивается время жизни неосновных носителей;

4. уменьшается значение включающего тока управляющего электрода;

5. уменьшается ток выключения.

Возрастание коэффициента передачи тока транзистора приводит к тому, что тиристор может самопроизвольно переключаться. Для предотвращения самопроизвольного переключения применяют различные методы. Одним из распространенных схемных решений является подача на управляющий электрод специального запирающего смещения. Недостаток этого способа – снижение чувствительности тиристора и необходимость соответствующего увеличения управляющего сигнала. В качестве конструктивного решения применяют метод соединения одного из эмиттерных переходов с соседней базой. Это создает условия искусственного снижения коэффициента передачи тока и, тем самым, переключения при больших напряжениях.

Основной областью применения тиристоров является преобразовательная техника. Номинальные значения токов (I_а) у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии дости­гают 5 000 А, а номинальные значения напряжений (U_а) в закрытом состоянии – до 5 кВ.

6. Усилители

6.1. Классификация, основные характеристики и параметры усилителей

Наиболее важное назначение электронных приборов – усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями (рис. 6.1).Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.д.

Усилителемназывается устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Увеличение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, по сравнению с мощностью источника входного сигнала, достигается за счет энергии источника постоянного напряжения, называемого источником питания (при этом соблюдается закон сохранения энергии). Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. Под воздействием входного сигнала на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, которые и передаются в нагрузку.

Усилители, используемые в современных устройствах, отличаются параметрами, назначением, характером усиливаемых сигналов и т.д.

По характеру усиливаемого сигналаусилители можно разделить на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов:

Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов. При изменении любого параметра сигнала в усилителе возникает переходный процесс: колебание на выходе усилителя достигает установившегося значения через определенное время. Параметры усиливаемого сигнала в гармонических усилителях изменяются значительно медленнее переходных процессов;

Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частотможно выделить следующие группы усилителей:

• усилители постоянного тока(УПТ), усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала, т.е. низшая пропускаемая частотаf_н= 0;

• усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала.

В свою очередь, усилители переменного токав зависимости от значений частотf_ниf_вделятся на следующие группы:

• усилители звуковых частот (УЗЧ) или усилители низких частот (УНЧ), частотный спектр которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц;

• усилители высокой частоты (УВЧ), имеющих полосу пропускания от десятков килогерц до сотен мегагерц;

• избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно f_в/f_н≈ 1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах. Часто их называют резонансными или полосовыми;

• усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50 Гц до 6 МГц. Усилители с f_в> 100 кГц называют широкополосными.

По типу усилительного элементаразличают: транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые и магнитные усилители.

По конструктивному выполнениюусилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Приведенные классификационные признаки являются далеко не полными. Можно подразделять усилители по электрическому параметруусиливаемого сигнала. По этому признаку усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности (такое разделение условно, так как в любом случае усиливается мощность).По числу усилительных каскадовусилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные и т.д.

Работу усилителей принято оценивать рядом технических показателей и характеристик, которые зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения. Важнейшими техническими показателями являются:

• коэффициенты усиления;

• входные и выходные сопротивления;

• выходная мощность;

• КПД;

• номинальное входное напряжение (чувствительность);

• диапазон усиливаемых частот;

• динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех;

• а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Коэффициент усиленияпредставляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Коэффициент усиления в зависимости от характера входных и выходных величин подразделяют на:

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.

В общем случае К_UиK_I– комплексные величины, зависящие от частоты сигнала.

В области средних частот входные и выходные напряжения и токи не зависят от частоты. И коэффициенты усиления на этих частотах являются действительными величинами. Коэффициент усиления по мощности К_Р– всегда действительное число.

.

Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в логарифмических – децибелах (дБ):

;

;

.

Коэффициент усиления усилителя не является величиной строго постоянной, а зависит от ряда факторов: частоты и амплитуды сигнала, напряжения источника питания и т.д.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К_u= К_u1К_u2К_u3….

или

К_{u дБ}= К_u1дБ+К_u2дБ+К_u3дБ+…..

Входное сопротивлениеусилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Оно равно:

.

Выходное сопротивление(R_вых) определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки (R_н). Оно равно:

.

Входное и выходное сопротивления усилителя, как и сопротивление нагрузки, в общем случае имеют комплексный характер, но входной и выходной токи и напряжения обычно определяются в условиях, при которых эти сопротивления можно считать активными.

Номинальная выходная мощность– максимальная мощность на выходе, при которой нелинейные искажения не превысят допустимого уровня. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна:

.

Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя– это отношение мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку усилителя (Р_н) к мощности, потребляемой выходной цепью от источника питания (Р_о):

.

Номинальное входное напряжение (чувствительность)– это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе номинальную мощность. Чем меньше значение входного напряжения, обеспечивающего номинальную мощность, тем выше чувствительность.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная.

Амплитудная характеристика– зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от амплитудного или действующего входного напряжения при некоторой постоянной частоте:

.

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 6.2) проходит не через начало координат, так как в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения источника питания, а также напряжением нестационарных процессов, определяемых структурой активных и пассивных элементов схемы. Значение общих помех на выходе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиленного сигнала:

В противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение ограничивается появлением нелинейных искажений. При больших входных сигналах (U_вх=U_{вх max}) пропорциональность междуU_вых иU_вхнарушается из-за нарушения пропорциональной зависимости между входным и выходным токами транзистора.

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала (U_{вх min}...U_{вх max}) амплитудная характеристика имеет форму прямой линии, а угол наклона определяется коэффициентом усиления усилителя по напряжению на данной частоте. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон амплитуд (Д).

Динамический диапазон амплитуд– это отношение максимально допустимой амплитуды входного напряжения к его минимальному значению:

или в децибелах

.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (рис. 6.3) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала:

k=f(f).

При построении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по вертикальной оси (см. рис. 6.3) откладывают значениеk_Uв относительных единицах или децибелах, а по горизонтальной оси – частоту (f), как правило, в логарифмическом масштабе.

По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя:

∆f=f_в–f_н.

Д

Рис. 6.6. Переходная характеристика усилителей

иапазон усиливаемых частот или полоса пропускания– это область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. В УНЧ эти изменения не превышают 3 дБ или в относительных единицах.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты:

φ = f(f).

Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. График ти­пичной фазочастотной характеристики усилителя переменно­го напряжения показан на рис. 6.4.

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 6.5). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициентаK(jw).

Переходная характеристика (рис. 6.6) используется при анализе импульсных усилителей, предназначенных для усиления импульсов различной формы. Эта характеристика представляет собой зависимость мгно­венного значения выходного напряжения или тока сигнала от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока.