6.2. Транзисторные исполнительные устройства
Схемотехническими реализациями транзисторных ИУ являются усилители постоянного тока и импульсные усилители.
Транзистор в усилительных устройствах выполняет роль управляемого сопротивления (ZИ на рис. 6.2), вносимого в цепь нагрузки (ZН). Величина ZИ определяется величиной и знаком управляющего сигнала. Для большинства практических случаев транзистор может быть замещен активным сопротивлением RТР так, что ZИ = RТР .
Последовательная и параллельная схемы усилительных устройств на биполярном транзисторе приведены на рис. 6.5. Через uуп и uH обозначены напряжение сигнала управления и падение напряжения на нагрузке.
Вместо биполярного транзистора VT типа р-п-р в последовательной схеме может быть использован транзистор типа п-р-п (или полевой транзистор). Аналогично может быть изменен тип транзистора в параллельной схеме.
Наибольшее практическое применение в усилителях получили последовательные схемы с включением транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 6.5а). Семейство выходных характеристик такого транзисторного ИУ показано на рис. 6.6.
Транзистор, используемый в качестве усилителя постоянного тока, осуществляет усиление сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительности переходных процессов в самом усилителе. Транзистор работает в активном режиме. При этом рабочая точка А перемещается по нагрузочной прямой, занимая на ней различные положения в зависимости от величины тока базы iБ (рис. 6.6). Коллекторный ток iК ,он же ток нагрузки iН , плавно изменяется в выделенном на рисунке диапазоне. Падение напряжение на нагрузке uH= iКRH = U - uЭК зависит от величины напряжения uЭК между эмиттером и коллектором транзистора. Для линеаризации входной характеристики транзистора и зависимости iН от iБ в цепь базы транзистора включают балластный резистор, сопротивление которого Rбал>>RН .
В импульсных усилителях реализуется так называемый ключевой режим работы (режим переключения) транзистора. В этом случае транзистор может длительно находиться только в двух состояниях: насыщенном и отсечки.
В состоянии насыщения транзистор находится тогда, когда от источника сигнала управления во входную цепь транзистора подается ток iБ больший, чем необходимо для получения максимального коллекторного тока IКmax≈UИ/RН . Для насыщенного транзистора обычно UЭК <0,1 В.
В состояние отсечки транзистор переводится, когда на базу подается напряжение uБЭ , обратное для эмиттерного р-п-перехода. В этом случае ток эмиттера очень мал и сопротивление RТР = ZИ между выводами эмиттер-коллектор составляет 0,1…10 Мом. Ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода и равен току базы IБ0 (см. рис. 6.6).
Для обеспечения быстрого перехода транзистора из области насыщения в область отсечки необходимо, чтобы сигналы, подаваемые на базу, были достаточными по величине и прикладывались скачком (имели бы крутые передний и задний фронты). Время включения транзистора может составлять десятые доли микросекунды, время отключения в 2-3 раза больше времени включения.
В паспорте транзистора любого типа указывается допустимая мощность РКдоп , которую он может рассеять на коллекторном переходе, не нагревшись выше допустимой температуры. Эта мощность практически равна произведению UЭК IК. Если на графике выходных характеристик транзистора нанести линию UЭК IН = РКдоп (гипербола), то она разделит область выходных характеристик на две зоны (рис. 6.6). Выше гиперболы UЭК IК > РКдоп и длительная работа транзистора в этой зоне недопустима. В зоне ниже гиперболы, где UЭК IК < РКдоп , транзистор может работать неограниченное время. Для транзистора, работающего в активном режиме, нагрузочная прямая должна находиться ниже гиперболы UЭК IН = РКдоп . Для транзистора, работающего в ключевом режиме, нагрузочная прямая может располагаться значительно выше при условии, что точка насыщения и точка отсечки на нагрузочной прямой находятся ниже гиперболы UЭК IН = РКдоп. В этом случае мощность, выделяемая в нагрузке, может быть увеличена в 2-2,5 раза.
Работа транзистора в ключевом режиме при коммутации электрической цепи аналогична по действию на цепь включению и отключению замыкающего контакта электромеханического аппарата с самовозвратом, например, кнопки управления, реле, контактора и др.