Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
Сопротивление
R
обычно принимают равным (0,2 -
ф
0,3)нR , а конденсатор
пряжению на нагрузке при холостом ходе выпрямителя.
В
L
- и
С - фильтрах объем и масса дросселя становятся
ф
соизмеримыми с объемом и массой трансформатора. В фильтрах, использующих вместо дросселя транзистор масса и габариты значительно ниже и выходное сопротивление фильтра мало.
Принцип действия таких фильтров основан на использовании
особенностей выходной характеристики транзисторов. При выборе рабочей точки транзистора после перегиба выходной характеристики Сопротивление между коллектором и эмиттером
постоянному току будет меньше, чем сопротивление переменному току, поэтому транзистор можно использовать вместо
дросселя в схеме фильтра. Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного, КПД транзисторных
фильтров низок. При расчете выпрямителя надо учитывать характер сопротивления нагрузки, от которого во многом зависят
расчетные соотношения. В реальных схемах выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает активным. Это связано с
тем, что сглаживающий фильтр, включенный между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой реактивное сопротивление.
ф
C
выбирают на напряжение, равное на-
ф
5 Транзисторы
Транзистором называется полупроводниковый прибор с
двумя p-n - переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой
пластину кремния или германия, состоящую из трех областей.
Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя - противоположной проводимостью. Тран-
-41-
зисторы, у которых крайние области обладают электронной
проводимостью, а средняя - дырочной, называются транзисторами n-p-n - типа. (рисунок 11а). Транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями - p-n-p (рисунок 11б). В транзисторе n-p-n - типа
электрический ток создается в основном электронами, а в транзисторе p-n-p – типа - дырками. Смежные области, отделенные
друг от друга p-n - переходами, называются эмиттером, базой
и коллектором.
Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов (электронов) в транзисторе n-p-n - типа, коллектор - область, собирающая носители зарядов.
Рисунок 11 - Транзисторы n-p-n – и p-n-p – типов
В условиях работы транзистора к левому p-n - переходу
прикладывается напряжение эмиттер - база Uэ в прямом направлении, а к правому p-n - переходу - напряжение база - коллектор
Uк - в обратном. Под действием электрического поля большая
часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n - переход, переходит (инжектируется) в очень узкую
среднюю область (базу). Далее, большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь
к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним ис-
-42-
точником Uк. Под влиянием этого поля носители зарядов втяги-
к
к
к
ваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк. Переход неосновных носителей через базу в коллектор
характеризуется коэффициентом переноса δ. Этот коэффициент
показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей
достигает коллекторного перехода. Данный коэффициент можно
определить как отношение управляемого коллекторного тока
I
к току эмиттера, созданного его основными носителями:
I
к
=δ .
I
э
Если увеличить напряжение
U
, то возрастет количество
носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т.е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ∆эI . При этом так
же увеличится ток коллектора на величину ∆
I
.
В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями
зарядов противоположной полярности и образует ток рекомби-
нации
I
.
р
Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе
имеется базовый ток, в который входят три составляющие: ток
рекомбинации, ток, обусловленный диффузией основных носи-
телей базы через эмиттерный переход дI , и обратный коллекторный ток, который имеет противоположное направление от-
носительно двух других составляющих базового тока:
IIII −+=
.
кбодрб
Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой. Т.о., ток коллектора
III −= окажется
бэк
меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего.
∆
Отношение
к
=α при kU = const называется коэффици-
II∆
э
-43-
ентом усиления по току и обычно имеет значение α = 0,9 ÷
к
0,995.
Если цепь эмиттер - база разомкнута, и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение kU ,
то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный тепловой ток 0kI , обусловленный неосновными носителями заря-
дов. Этот ток сильно зависит от температуры и является одним
из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует
лучшим качествам транзистора).
Так как левый (эмиттерный) p-n - переход находится под
прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением.
На правый же (коллекторный) p-n - переход воздействует обратное напряжение, и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт).
Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжени-
ем эU , создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение
U
, в
результате чего транзистор осуществляет усиление мощности.
При работе транзистора в качестве усилителя входное переменное напряжение вхU подают последовательно с источни-
ком постоянного напряжения смещения смU между эмиттером
и базой, а выходное напряжение
U снимается с нагрузочного
вых
резистора нR .
Схемы включения.
В зависимости от того, какой из электродов транзистора
является общим для его входной и выходной цепи, различают
три схемы включения (рисунок 12).
-44-
а б в
α
Рисунок 12 - Схемы включения биполярных транзисторов
Рассмотрим особенности каждой схемы. На рисунке 12а
представлена схема с общей базой. В данной схеме входным то-
ком является ток эмиттера
тора
III α== . Напряжение между эмиттером и базой
эквыхб
является входным
ром и базой - выходным
UU = , а напряжение между коллекто-
эбвхб
II = , а выходным - ток коллек-
эвхб
UUU == . Входным сопротив-
нкбвыхб
лением является сопротивление между эмиттером и базой
U
R = . Поскольку эмиттерный переход находится в
вхб
вхб
I
вхб
открытом состоянии, входное сопротивление схемы с общей базой мало (единицы - десятки Омов).
Рассмотрим усилительные свойства данной схемы.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления тока):
I
K α=α
выхб
iб
I
вхб
I
к
I
I
э
===
э
I
<1.
э
Следовательно, схема с общей базой не обладает усилением по току. Коэффициент усиления напряжения:
U
K α=
uб
выхб
U
вхб
RI
нк
RI
эбэ
RI
===
нэ
RI
эбэ
R
н
.
R
эб
-45-
R
α
Поскольку отношение
н
значительно больше вход-
R
эб
ного сопротивления, схема с общей базой способна усиливать
входное напряжение.
Коэффициент усиления мощности определим как отношение мощностей:
Р
К α=
рб
выхб
Р
вхб
UI
==
выхэ
UI
вхэ
R
2
н
.
R
вхб
Из полученного выражения также следует, что схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности, так как
R
н
R
вхб
2
>
α . Отсутствие усиления тока, малый коэффициент
усиления по мощности, а также небольшое входное сопротивление ограничивают применение данной схемы. Малое входное
сопротивление не позволяет осуществлять каскадное включение, так как малое входное сопротивление последующего каскада оказывает шунтирующее действие на выход предыдущего
каскада, в результате чего резко снижается усиление всего усилителя.
На рисунке 12б представлена схема с общим эмиттером. В
данной схеме входным током является базовый ток
III , а выходным током - коллекторный
эбвхэ
II α= .
эвыхэ
)1( α−==
Входное сопротивление примерно на два порядка больше,
чем в схеме с общей базой, так как
U
R .
вхэ
I
вхэ
вхэ
U
==
бэ
I
э
R
вхб
=
α−
α−
1)1(
Увеличение входного сопротивления позволяет собирать
многокаскадные усилители, у которых каждый каскад собран по
схеме с общим эмиттером.
Схема с общим эмиттером обладает усилением тока:
-46-
α
α
I
α−α
+
+
α
−
K β>1.
выхэ
iэ
I
вх
I
э
==
I
э
=
α−
=
α−
1)1(
Коэффициент усиления напряжения в схеме с общим
эмиттером такой же, как и в схеме с общей базой:
U
K
uэ
выхб
U
вхб
RI
==
нэ
)1(
)1(
RI
α−
вхбэ
R
н
α=
.
R
вхб
Однако схема с общим эмиттером кроме усиления изменяет форму выходного напряжения на 180°.
Поскольку схема обладает усилением по току и по напряжению, она имеет наибольший коэффициент усиления мощности:
α
==
ККK
uэiэрэ
R
α−
R
вхб
K
н
рб
=α
.
11 α−
Схема с общим коллектором представлена на рисунке 12в.
В этой схеме входным является базовый ток:
III
эбвхк
Выходным током служит ток эмиттера
).1( α−==
II = . Схема с
эвых
общим коллектором обладает наибольшим усилением по току:
I
=
K
iк
э
I
α−
э
=
1
)1( α−
1
.
Входное сопротивление схемы с общим коллектором значительно превышает входное сопротивление рассмотренных
выше схем:
1)1()1( α−
RR
вхбн
.
U
R
вхк
I
вхк
вхк
U
бк
==
I
э
=
α−
UU
бээк
=
α−
I
э
Схема с общим коллектором не обладает усилением напряжения, так как
U
выхк
К
uк
U
==
вхк
RI
нэ
)1(
α−
=
RI
вхкэ
RI
нэ
)1(
))(1(
RRI
+α−
вхбнэ
) вхбн
R
н
=
+
.
RR
-47-
Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным
1
повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напряжения равен примерно единице и
выходное напряжение совпадает по фазе с входным.
Эмиттерный повторитель используется как каскад согласования между отдельными каскадами или между выходом усилителя и его нагрузкой. Коэффициент усиления мощности в
схеме с общим эмиттером примерно равен коэффициенту усиления тока:
K .
КК
uкiкрк
α−
1
≈=
Из выше сказанного следует, что любая из схем включения
обладает усилением мощности. Это подтверждает то, что транзистор является активным (усилительным) прибором.
Статические вольтамперные характеристики транзистора.
Вольтамперные характеристики представляют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях
транзистора. Различают входные и выходные характеристики.
Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжений при неизменном напряжении на
коллекторе.
Выходные характеристики характеризуют зависимость
выходного тока от напряжения на коллекторе при неизменной
величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами включения транзистора различают характеристики
для схемой с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.
-48-
6 Полупроводниковые усилители
Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для
управления током (следовательно и мощностью), поступающим
от источника питания в нагрузку.
Источниками сигналов могут быть различные устройства,
преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую.
Например: микрофоны, пьезоэлементы, датчики и т.д.
Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства,
преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные, нагревательные и другие приборы.
Классификация усилителей, основные характеристики.
Усилители можно разделить по многим признакам: виду
используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов,
выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся
на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов
усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить
на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного
тока (или напряжения).
Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая), через разделительный конденсатор (емкостная) и через трансформатор (трансформаторная).
Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным относятся: допустимые значения входного и выходного напряжения или тока,
входное сопротивление и входная емкость.
-49-
Основной передаточной характеристикой усилителя явля-
F
∆
ется его коэффициент усиления. Так же к техническим показателям усилителей относятся ширина полосы пропускания
чувствительность, выходная мощность
P , искажения, вно-
вых
симые усилителем. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.
K
U
I
2
U
K
1
2
K
I
1
P
===
PIu
2
.,,
P
1
Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т.е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т.е. изменением его фазы.
Если в усилителе имеются несколько каскадов усиления с
коэффициентами ,,...,,,
ния усилителя ....
321 n
321 n
KKKKK =
KKKK то коэффициент усиле-
В современных усилителях коэффициент усиления очень
большой, поэтому его выражают в логарифмических единицах
[дБ]:
U
K lg20= ;
U
U
вых
вх
K lg20= .
I
I
I
вых
вх
Частотная характеристика.
В реальном усилителе сигналы разных частот усиливаются
по-разному. Зависимость коэффициента усиления от частоты
сигнала называется частотной характеристикой (рисунок 13).
На графике
K
- максимальный коэффициент усиления,
ср
,
FFF
∆=− - ширина полосы пропускания. Как видно из гра-
hв
фика частотной характеристики, в пределах полосы пропускания коэффициент усиления почти не меняется. Уменьшение коэффициента усиления в пределах полосы, не превышающее 3 дБ
-50-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]