Импульсные и избирательные усилители

Импульсному (ключевому) режиму работы транзистора соответствует два крайних состояния: транзистор или заперт, или полностью открыт. В этом режиме транзисторы используют как бесконтактные переключающие устройства. Рассмотрим работу схемы, приведенной на рис. 36.

Рис. 36. Схема каскада в импульсном режиме работы транзистора	Рис. 37. Графики запускающего напряжения (а) и выходного напряжения (б)

В интервалы времени 0 – t₁, t₂ – t₃ и т. д., когда напряжение отсутствует (рис. 37, а), переход эмиттер – база заперт и ток коллектора равен нулю. Следовательно, напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания (–Е_к) (рис. 37, б) и транзистор заперт. Когда на вход схемы подают отрицательные запускающие импульсы (интервалы времени t₁ – t₂, t₃ – t₄), переход эмиттер – база открывается и в коллекторной цепи проходит ток. Амплитуда импульсов U_и (рис. 37, а) выбирается такой, чтобы коллекторный ток при заданных R_к и Е_к достигал максимального значения, равного току насыщения I_{к нас}≈Е_к/R_к (рис. 38). При этом напряжение на коллекторе U_{кэ нас} близко к нулю (рис. 37, б), т. е. транзистор полностью открыт.

Избирательные усилители применяют в тех случаях, когда необходимо усилить сигнал в достаточно узком диапазоне частот. Распространенным типом избирательных усилителей являются резонансные (рис. 39).

В них в качестве нагрузки коллекторной цепи используют параллельный колебательный L_кC_к-контур, настроенный на частоту сигнала f_с. Для сигнала с резонансной или близкой к ней частотами контур имеет большое сопротивление R_{к рез}. Для частот, далеких от резонансной, сопротивление контура мало.

Рис. 38. Семейство вольтамперных характеристик и нагрузочная прямая CD каскада в импульсном режиме работы транзистора	Рис. 39. Схема резонансного транзисторного усилителя

Таким образом, контур позволяет выделить напряжение резонансной и близких к ней частот.

Специальные типы полупроводниковых диодов

Фотодиоды, светодиоды и светодиодные индикаторы, диодные оптроны

Фотодиоды. Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, в котором специальным подбором химиче­ского состава исходных материалов добиваются высокой чувстви­тельности к воздействию светового потока. В отсутствие света фото­диод и обычный выпрямительный полупроводниковый диод не отли­чаются по своим физическим свойствам и имеют сходные вольтамперные характеристики. При воздействии света по обе стороны p-n­перехода возникают пары свободных носителей зарядов – элект­ронов и дырок, на выводах фотодиода появляется разность потенци­алов порядка 0,4 В. При подключении к выводам фотодиода внеш­ней нагрузки (рис. 12, а) в ее цепи возникает электрический ток. Плотность этого тока невелика и составляет всего 5–15 мА/см² рабочей поверхности фотодиода. Такой режим работы фотодиода называется вентильным и используется для непосредствен­ного преобразования в солнечных батареях световой энергии Солн­ца в электрическую.

В устройствах автоматики фотодиоды работают с внешним источ­ником питания (рис. 12, б) при обратном напряжении на p-n-переходе. Такой режим называется фотодиодным. Фотодиод, включен­ный в электрическую цепь в непроводящем направлении, ведет себя как резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности освещения. С увеличением яркости светового потока обратное сопротивление p-n-перехода уменьшается, и ток в нагруз­ке R_Н возрастает. Основными параметрами фотодиода в этом режи­ме являются: интегральная токовая чувствительность S_ИНТ — отношение фототока к вызвавшему его потоку излучения; темновой ток I_T — ток фотодиода при отсутствии освещения; рабочее напря­жение питания U_P – напряжение, рекомендуемое для надежной работы диода; максимально допустимое напряжение U_max – напря­жение, при превышении которого может произойти разрушение фо­тодиода; ∆T – диапазон рабочих температур.

П ромышленностью выпускаются германиевые и кремниевые фо­тодиоды. Интегральная чувствительность германиевых фотодиодов имеет порядок 10—20 мА/лм. У кремниевых она в несколько раз меньше. Однако кремниевые фотодиоды отличаются лучшей стабильностью параметров, значительно меньшей величиной темнового тока и способны работать в широком диапазоне температуры. Например, типовой кремниевый фотодиод ФД265 имеет следующие параметры: I_T  10^-4 мА при U_P = (4±1) В; S_ИНТ  3,75 мА/лм; U_max = 20 В, ∆T = (–60 ÷ +85) С. Конструктивное оформление диода приведено на рис. 13, где 1 — фокусирующая линза; 2 — кристалл полупроводника; 3 — кристаллодержатель; 4 — корпус; 5 — изолирующее основание; 6 — внешний вывод. Линза 1 предназначена для фокусировки светового потока на кристалле полупроводника.

Светодиоды и светодиодные индикаторы. В отличие от фотодиода светодиод сам излучает свет при протекании через него прямого тока (прямая ветвь вольт-амперной характеристики). При включении светодиода в непроводящем направлении (обратная ветвь) ток через светодиод не протекает и его свечение отсутствует. В зависимости от химического состава материала полупроводника светодиоды излучают свечение красного, оранжевого, желтого или зеленого цвета. Кроме того, изготавливаются светодиоды с переменным цветом свечения. Они имеют два р-n-перехода с разным цветом свечения. Общий цвет зависит от соотношения токов, протекающих через эти переходы. Конструктивно светодиоды оформлены в виде бусин, миниатюрных лампочек, прозрачных колпачков, которые светятся при протекании через них тока. Основными параметрами светодиода являются: сила света I_V — световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла; цвет свечения; постоянное прямое напряжение U_ПР — значение напряжения на светодиоде при протекании прямого тока; максимально допустимые Обратное Напряжение U_ОБР.MAX и постоянный прямой ток I_ПР.MAX; диапазон рабочих температур ∆T.

Основные параметры некоторых типов светодиодов, выпускаемых серийно, приведены в табл. 3. Таблица 3

Тип свето­диода	Цвет свечения	IПР, мА	IV, мкд	UПР, В	Корпус
ЗЛ341А	Красный	10	0,15	2,8	Металлостеклянный
ЗЛ341В	Зеленый	10	0,15	2,8	»
ЗЛ341Д	Желтый	10	0,15	2,8	»
АЛ301Б	Красный	10	0,10	2.8	Бескорпусное исполнение
АЛС331А	Красный, зеленый	20	0,60	4,0	Металлостеклянный

П римечание: Для всех типов элементов U_ОБР.MAX = 2 В; I_ПР.MAX = 11 мA; ∆T= ( –60÷ +70)С.

На рис. 14 приведены одна из возможных схем включения свето­диода и примерный вид конструктивного оформления. Диод VD1 не является принципиально необходимым и выполняет лишь защит­ную функцию, предотвращая попадание на светодиод VD2 выбросов обратного напряжения источника U_П.

К роме светодиодов, используемых в качестве точечных источни­ков видимого света, выпускают цифровые, знаковые, линейные и матричные светодиодные индикаторы. Цифровые и знаковые индика­торы могут быть одно- и многоразрядными. Одноразрядный индика­тор (рис. 15,а) позволяет высвечивать арабские цифры от 0 до 9, десятичную запятую и отдельные буквы русского алфавита А, Б, Г, Е, З, О, П, Р, С, У, Ч. Высота знака определяется типом индикатора и заключена в пределах от 2,5 до 25 мм. Многоразрядные индикато­ры (3–5, 7, 9 и 16 разрядов) отображают целый ряд горизонтально расположенных чисел или цифро-буквенных сочетаний (рис. 15,6). Все цифры или буквы составляются из семи линейных элементов, каждый из которых представляет собой отдельный светодиод.

Л инейный индикатор высвечивает изображение в виде пяти па­раллельных линий. Цвет свечения – красный или зеленый. Матрич­ный (буквенно-цифровой) индикатор (рис. 15, в) имеет индикацион­ное поле, состоящее из дискретных светящихся точек. Точек может быть или 35 (5×7) или 100 (10×10). Подавая напряжение на опре­деленные точки, получают изображение какой-либо цифры или гра­фического знака, например, знака суммы .

Основными параметрами большинства светодиодных индикато­ров, как и обычных светодиодов, являются сила света, цвет свечения, постоянное прямое напряжение, максимально допустимый прямой ток, диапазон рабочих температур.

Диодные оптроны. Светодиод, конструктивно объединенный с фотодиодом, образует так называемую оптронную пару, или просто оптрон (рис. 16). Передача сигнала в оптроне осуществляется луча­ми света, поэтому входная (1-4) и выходная (2-3) цепи оптрона прак­тически полностью изолированы друг от друга. Это свойство опт­ронов используется в устройствах автоматики во всех тех случаях, когда электрическая связь между различными частями их схемы не­желательна (например, на электровозах для изоляции низковольт­ных измерительных устройств от высоковольтных элементов). Про­мышленностью выпускаются оптроны в круглых металлостеклянных корпусах, в пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении. В последнем случае оптрон (например, типа АОД201А) представля­ет собой миниатюрную непрозрачную таблетку размерами 2×2×1 мм, снабженную четырьмя гибкими выводами.