книги / Электрические аппараты

их область применения. Они широко используются в схе­ мах автоматики и защиты как логические элементы, преоб­ разователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупро­ водниковыми устройствами и силовыми электрическими ап­ паратами.

В табл. 11.2 приведены технические данные герконов отечественного производства. В таблице приведены макси­ мально допустимые значения коммутируемого тока 1тах, напряжения Umax и мощности РтахПри уменьшении ком­ мутируемого тока значение допустимого напряжения уве­ личивается (U — Рщах/1), но не должно превышать значе­ ния Umax, определяемого электрической прочностью рабо­ чего зазора. При уменьшении напряжения коммутируемый ток увеличивается, но не должен быть больше значе­

ния Imax-

Параметры коммутируемых цепей приведены для чисто активной нагрузки. При смешанной нагрузке RL коммута­ ционная способность геркона ухудшается и должна огова­ риваться заводом-изготовителем для данного значения по­ стоянной времени нагрузки T — L/R. Если заданы парамет­ ры только для активной нагрузки, а цепь имеет смешанный характер, то для облегчения работы контакты реле следует шунтировать цепочкой R, С, параметры которой выбира­ ются по рис. 3.10.

Глава д в е н а д ц а т а я

БЕСКОНТАКТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ УПРАВЛЕНИЯ

12.1. РЕЛЕЙНЫЙ РЕЖИМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ

а) Общие сведения. В цепях постоянного и выпрямлен­ ного тока транзистор можно рассматривать как управляе­ мое активное сопротивление. Пределы изменения этого соп­ ротивления очень широки, что позволяет использовать транзисторы для создания разнообразных бесконтактных электрических аппаратов управления и защиты. Транзисто­ ры широко применяются для создания бесконтактных реле и логических элементов.

Транзисторы обладают высоким уровнем вибро- и уда­

ростойкости и надежности. Их долговечность достигает многих десятков тысяч часов.

Основные недостатки транзисторов заключаются в от­ сутствии полного разрыва цепи в состоянии отсечки, галь­ ванической связи цепи управления (базы) и нагрузки, в за­ висимости параметров от температуры.

б) Однокаскадный полупроводниковый усилитель на транзисторе с проводимостью р-п-р. Транзистор имеет три электрода: эмиттер Э, коллектор К и базу Б. Схема усили­ теля с общим эмиттером изображена на рис. 4.35, а. Ука­ занные на рисунке направления токов, напряжений и ЭДС приняты за положительные. Ток эмиттера равен сумме то­

Если ток управления iy уменьшить до нуля, а затем уве­ личивать в положительной области, то ток в нагрузке рас­ тет. При токе в базе /бн наступает режим насыщения тран­ зистора (обозначается буквой Н). В этом режиме сопротив­

ке от напряжения управления иу. Вследствие нелинейности сопротивления перехода эмиттер—база зависимость тока в нагрузке гн от управляющего напряжения иу имеет нели­ нейный характер. Отрицательное значение этого напряже­ ния—Uуо называется напряжением отсечки, а положитель­ ное значение f/y,H— напряжением насыщения. В транзис­ торе р-п-р увеличение коллекторного тока происходит при увеличении отрицательного потенциала базы транзистора относительно эмиттера. Для перевода транзистора из за ­ крытого состояния в открытое необходимо к — Uy0 доба­ вить положительное напряжение переключения Uy,n-

Важнейшей характеристикой транзистора является за ­ висимость между током коллектора и током базы. Отноше­ ние приращения тока в коллекторной цепи к приращению тока в цепи базы называется коэффициентом усиления по

току. Для схемы с общим эмиттером этот коэффициент (5 = =Д/к/Л^б. Чем больше р, тем круче зависимость Д (/Б).

жение отсечки сильно увеличиваются с ростом температу­ ры, для надежного запирания напряжение t/y0 берется рав­ ным 0,1—0,5 В.

Надежная работа транзистора, стабильность его харак­ теристик в значительной степени зависят от его температу­ ры. Эта температура определяется температурой окружаю­ щей среды и мощностью, выделяющейся в транзисторе при прохождении по нему тока. Мощность, выделяющаяся в транзисторе, должна быть меньше мощности, рассеивае­ мой транзистором, которая указывается в его паспорте. Мощность, выделяющаяся в транзисторе в режиме О

Р0ъ Е к1ко.

Так как ток /да мал, мощность, выделяющаяся в тран­ зисторе, также мала. В этом режиме к коллекторному пе­ реходу приложено практически все напряжение источника £к. Это напряжение должно быть меньше предельно допус­ тимого значения напряжения, приводимого в паспорте тран­ зистора, UКд0П. Обычно £ 'к = Д Кдсп/(1,5-ь2).

При увеличении тока управления ty растет ток нагруз­ ки /к и увеличивается мощность, выделяемая в транзисто­ ре, равная

где Uэк — напряжение между эмиттером и коллектором транзистора.

Мощность jPpac, которая может рассеиваться транзисто­ ром, постоянна. Поэтому допустимые значения тока 1к и напряжения U&к связаны гиперболической зависимостью. Вначале с ростом l v мощность, выделяемая в транзисторе, растет, а затем падает из-за резкого уменьшения £/экНаи­ большая мощность Ртах выделяется в транзисторе, когда сопротивление нагрузки RHравно внутреннему сопротивле­ нию транзистора ЯэкЭта мощность должна быть меньше мощности, которую может рассеять транзистор при допус­ тимой температуре:

Ртах ^ ^рао-

Для получения режима Н необходимо увеличить ток

управления до значения / у,п. Это значение связано с током насыщения /кн через коэффициент усиления по току:

в транзисторе мощности рекомендуемый ток базы при на­ сыщении берется больше /бн :

стабильность работы схемы при колебаниях температуры, напряжения питания, а также при изменениях и разбросе параметров входящих в схему элементов. Однако при этом ухудшается быстродействие, так как требуется более дли­ тельное время для вывода транзистора из состояния насы­ щения. Существует оптимальное значение k„.

Мощность, выделяемая в транзисторе в режиме Н,

исущественно больше мощности Р0.

Вполупроводниковых реле и логических элементах транзистор находится либо в режиме О, либо в режиме Н. Переход из одного режима в другой происходит так быст­

Такой режим транзистора называется ключевым. Режим Н эквивалентен замкнутому состоянию контактов реле, ре­ жим О — разомкнутому.

Допустимая мощность нагрузки для данного транзис­ тора в ключевом режиме в десятки раз больше допустимой нагрузки для того же транзистора в режиме линейного не­ прерывного управления. Поэтому ключевой режим позво­ ляет лучше использовать транзистор по мощности.

На активно-индуктивной нагрузке при переходе из ре­ жима Н в режим О наводится большая ЭДС самоиндукции Ен = —Ldi/dt, обусловленная высокой скоростью спада то­ ка. В результате между коллектором и эмиттером действу­ ет сумма напряжения источника питания Ек и ЭДС Ldi/dt.

Электродвижущая сила Lcli/dt может быть настолько боль­ шой, что произойдет пробой транзистора. Для снятия та ­ ких перенапряжений [6.1] нагрузка шунтируется диодом VD (рис. 4.36, а).

Следует отметить, что наличие такого диода снижает скорость спада потока в индуктивной нагрузке и, следова­ тельно, уменьшает быстродействие при отключении.

двухкаскадного усилителя приведены на рис. 12.1. vu

Рис 12.1. Двухкаскадный транзисторный усилитель

Если транзистор VT1 находится в состоянии О, то к ба­ зе транзистора VT2 приложено практически полное напря­

Если увеличивать ток в базе транзистора VT1, то увели­ чивается его коллекторный ток, протекающий через резис­ тор R1. Из-за падения напряжения на этом резисторе отри­ цательный потенциал на базе транзистора VT2 будет умень­

необходимо подать на его базу положительный потенциал, чего нельзя получить в схеме рис. 12.1, а.

Для полной отсечки транзистора VT2 необходимо ввес­ ти запирающее напряжение U3 (рис. 12.1,6), которое соз­ дает необходимый отрицательный ток базы / у0ч (рис. 4.35,6).

значении соблюдается условие закрытия второго транзис­ тора и ток в нагрузке становится равным нулю.

Схема рис. 12.1,6 обладает тем недостатком, что тран­ зистор VT2 требует отдельного запирающего источника. Более удобна схема рис. 12.1, в. Здесь необходимое запи­ рающее напряжение получается от общего для обоих тран­ зисторов напряжения Ев. Ток от источника + Е ъ, протекая по резисторам R2, R3 и открытый транзистор VT1, создает на них падения напряжения. Напряжение на R3 является запирающим для транзистора VT2.

Если транзистор VT1 находится в режиме О, ток, про­ текающий через базу транзистора VT2 в схеме рис. 12.1, в, уменьшается по сравнению со схемой рис. 12.1, а из-за на­ личия резистора R3, что ведет к уменьшению коэффициента усиления каскада в отношении R i/(R i+R 3)-

Этот недостаток можно устранить, заменив резистор R3 стабилитроном VD. Использование в качестве резистора связи стабилитрона VD, включенного в проводящем на­ правлении, улучшает показатели усилителя, так как сопро­ тивление стабилитрона нелинейно. При открытии VT2 ток междукаскадной связи возрастает, а сопротивление стаби­ литрона существенно уменьшается.

г) Релейный режим двухкаскадного усилителя. Харак­ терной особенностью усилителя схемы рис. 12.1, в является то, что приращение потенциала базы транзистора VT1 вы­ зывает одинаковое по знаку и усиленное приращение по­ тенциала на коллекторе VT2. Это позволяет получить по­ ложительную обратную связь путем соединения этих точек резистором обратной связи R0,с (рис. 12.2). Путь тока об­ ратной связи показан штриховой линией. Ток базы транзис­ тора VT1

*Б1 = ~ lV + Не­

положительный ток управления ty закрывает транзис­ тор VT1, а ток to,с, вытекающий из базы этого транзистора,

наоборот, стремится открыть этот транзистор. При отри­ цательном токе управления ток базы

1Б1 = | îy I + *0,0 •

Зависимость коллекторного тока транзистора VT1 и то­ ка нагрузки ô<i от тока управления показана на рис. 12.3, а. При отсутствии обратной связи (Roc = оо) усилитель на­ ходится в режиме линейного управления (рис. 12.3, а). Пе­ реход транзистора VT2 из состояния Н2 в состояние 0 2 про­ исходит при изменении тока управления от tyi до iy2. Со­ ответствующие токи коллектора VT1 равны /щн2 и /щог. В зоне АА транзистор VT1 находится в режиме плавного

Рис. 12.2. Двухкаскадный транзисторный усилитель с положительной обратной связью

управления. Это дает возможность надежно закрывать транзистор VT2 в точке 0 2 и открывать в точке Н2. При увеличении по модулю отрицательного сигнала управления —iy транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закры­ вается. При этом отрицательный потенциал коллектора транзистора VT2 возрастает.

При наличии обратной связи и увеличении тока управ­ ления до значения —iyi транзистор VT2 находится в состоя­

чивается — и Эк2, появляется г'о с. Для полного закрытия VT2 ток в коллекторе VT1 должен принять значение / Кю2.

Рис. 12.3. Характеристики управления каскадов усилителя по рис. 12.2

Благодаря току г0,с ток управления iy3, необходимый для получения тока / кко , уменьшится:

Состояние транзистора VT1 изменяется or Я 2 до 0 2 (рис. 12.3, s). В точке 0 2 транзистор VT2 полностью закрыт.