Полупроводниковые усилители » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Полупроводниковые усилители

15.09.2014

По представлениям современной физики электрический ток создается свободными электронами, т.е. электронами, не связанными с атомами. В проводниках таких свободных электронов очень много. Когда к проводнику прикладывают электрическое напряжение, свободные электроны проводника образуют электрический ток. Поэтому электрическое сопротивление проводника мало. В диэлектриках же, наоборот, свободных электронов почти нет, все электроны жестко связаны с атомами и, чтобы вырвать их у атомов и создать движение электронов в диэлектрике, требуется приложить очень большое электрическое напряжение. Именно поэтому электрическое сопротивление диэлектриков велико.
Ho некоторые элементы, например германий и кремний, не похожи ни на проводники, ни на диэлектрики. Вернее, они одновременно являются и теми и другими. Их называют полупроводниками.
Большинство электронов в полупроводниках жестко связаны с атомами, но все же в них есть электроны, которые при некотором внешнем воздействии тепла, света или электрического напряжения высвобождаются из-под «власти» атомов, причем характерно, что высвобождаются не только носители отрицательного электричества — электроны, но и носители положительного электричества — дырки.
Если к полупроводнику приложено электрическое напряжение, то электроны начинают двигаться к положительному полюсу напряжения, а дырки — к отрицательному. В полупроводнике образуются два тока: электронный и дырочный.
Если к полупроводнику не приложено электрическое напряжение, то перемещение свободных электронов и дырок беспорядочно и они стремятся равномерно распределиться по объему проводника. Это стремление, характерное для всех частиц материи, носит название диффузии. Ho поскольку в проводнике существуют раздельные носители отрицательного электричества — электроны — и носители положительного электричества — дырки, то они не могут долго существовать. Действительно, достаточно свободному электрону наткнуться на нуждающийся в электроне атом (дырку), как он будет захвачен. При этом одновременно исчезнут и свободный электрон, и дырка. Такую встречу называют рекомбинацией.
Используя все эти особенности полупроводника (как носителей отрицательного и положительного электричества, диффузию и рекомбинацию), оказалось возможным создать кристаллический прибор, способный усиливать электрическое напряжение.
Полупроводниковый транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников с различной проводимостью: крайние — с дырочной, а между ними (так называемая база) — с электронной (рис. 3.2, а). Схематично такая схема записывается как р—n—р. Следовательно, транзистор имеет два перехода: р—n и n—р. Первый переход (р—n) включен в прямом направлении, т.е. «минус» к и-области, а «плюс» к p-области, называемой в этом случае эмиттером. Поэтому через этот переход проходит прямой ток.
Второй переход (n—р) включен в обратном направлении, т.е. «плюс» к базе («-область), а «минус» к p-области, называемой коллектором. Ток через коллекторный переход не должен проходить. Ho в данном случае это не так.
Полупроводниковые усилители

Дело в том, что полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е. концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе. Поэтому, когда в результате протекания тока через эмиттерный переход в базу попадают дырки, то их оказывается там так много, что только малая часть из них находит в базе необходимые для рекомбинации электроны.
Эмиттер как бы насыщает базу дырками (происходит инжекция дырок в базу). Благодаря диффузии пришедшие дырки начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Ho к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, довольно значительное — в десятки раз больше напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Причем полярность коллекторного напряжения такова (на коллекторе «минус»), что положительные дырки, приближаясь к коллекторному переходу, испытывают действие сильного ускоряющего поля, переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса источника питания. В результате через коллекторный переход проходит электрический ток несмотря на то, что к нему приложено обратное напряжение.
Ho самое главное — это то, что коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от числа этих дырок. Поэтому, управляя эмиттерным током, можно тем самым управлять и коллекторным. Налицо эффект усиления. Простейшая схема усилителя изображена на рис. 3.2, б. На вход усилителя от датчика подается усиливаемый сигнал UВх.
В цепь коллектора (на выходе транзистора) включена нагрузка Rн. Источник Uэ подсоединяется в прямом направлении, и поэтому эмиттерный р—n-переход обладает малым сопротивлением. Источник Uк подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление коллекторного n—р-перехода значительно.
Сопротивление нагрузки Rн при соответствующем подборе напряжения Uк может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя.
Транзистор будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу D (Pвх = I2вхRвх) меньше полезной мощности сигнала на выходе, т.е. в нагрузке Rн (Pн = I2кRн). Коэффициент усиления по мощности
Полупроводниковые усилители

где Рвх — мощность на входе транзистора, мВт; Ik — ток коллектора, мА; Pн — мощность на нагрузке, мВт; Iвх — ток эмиттера, мА.
Ввиду того что база рассмотренного транзистора является общей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения называется схемой с общей базой. Основные параметры, характеризующие усилители с общей базой, показывают, что усиление по току меньше единицы, усиление по напряжению значительно больше единицы. Входное сопротивление мало, выходное сопротивление очень велико и напряжения входного и выходного сигналов синфазны.
Чаще применяется другая схема включения транзистора — схема с общим эмиттером, при которой кроме усиления мощности имеет место также усиление тока (рис. 3.2, в).
На рис. 3.2, г приведена схема с общим коллектором. Эта схема включения используется при работе на низкоомную нагрузку, или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению — около единицы.
Для правильного понимания принципа работы этих схем необходимо знать особенности работы транзистора как усилителя:
• транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением;
• малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника тока, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя;
• параметры и характеристики транзистора зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.
Главными достоинствами полупроводниковых усилителей являются также большая долговечность, высокая чувствительность, безинерционноеть.
Транзисторы применяются в схемах бесконтактно переключающихся устройств (рис. 3.3).
В этом случае они выполняют две функции: релейного усилителя и переключающего элемента.
Полупроводниковые усилители

При отсутствии немагнитной заслонки 2 в зазоре катушек 1 и 3 магнитное поле катушки обратной связи 3 в момент ее подключения к источнику питания E наводит ЭДС в катушке 1 колебательного контура с конденсаторами C1 и С2, при этом конденсаторы заряжаются таким образом, что на базу транзистора VT1 поступает минус-потенциал и он открывается. Этот ток усиливается транзистором VТ2. Как только нарастание тока в катушке 3 прекратится, конденсаторы C1 и С2 начнут разряжаться через катушку 1, изменяя полярность своих обкладок, и транзистор VT1 закроется. Затем конденсаторы опять начнут разряжаться, изменяя полярность обкладок, VT1 опять откроется и т.д. Если же между катушками ввести экран из немагнитопроводного материала (алюминия), то воздействие магнитного поля на катушку 1 прекратится и система перестанет генерировать колебания. Транзистор VT2 закроется, и на выходе появится потенциал Uвых (включено).
Тиристоры. Широкое применение в технике получили тиристоры (управляемые вентили). Тиристоры изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся слоя с проводимостями р- и n-типов, которые образуют три электронно-дырочных перехода: П1, П2 и П3 (рис. 3.4). Поскольку каждый переход обладает вентильными свойствами, электрическую схему тиристора можно представить в виде трех последовательно включенных диодов. Эти диоды связаны между собой таким образом, что дырки из р1 первого диода могут инжектироваться в область n, второго диода, а электроны из области n2 третьего диода могут инжектироваться в область p2 второго диода так же, как в транзисторах.
Полупроводниковые усилители

В соответствии с этим средние слои тиристора называются базовыми областями, или базами прибора; крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3, включенные в прямом направлении, — эмиттерными переходами; средний переход П2, включенный в обратном направлении, — коллекторным переходом.
Анодом тиристора, к которому присоединяют положительный потенциал источника тока, служит крайний слой р1, катодом — крайний слой n2.
Когда к тиристору приложено напряжение U в прямом направлении, при отсутствии напряжения в цепи управления переходы П1 и П3 открыты, но вентиль заперт переходом П2, (между слоями n1—р2), который включен в непроводящем направлении. При этом дырки и электроны, инжектированные из областей n1 и р2 в базовые области n1 и P2, не доходят до коллекторного перехода и не оказывают влияния на его сопротивление. Через тиристор в этом случае проходит весьма малый ток утечки Iут. С увеличением напряжения ток возрастает незначительно, так как он ограничен большим сопротивлением перехода П2. Этот режим называется режимом прямого запертого состояния тиристора.
При дальнейшем увеличении приложенного напряжения к аноду А и катоду К происходит процесс зажигания тиристора. Это объясняется тем, что под действием сильного электрического поля в коллекторном переходе П2 дырки, инжектированные из области р1 в базовую область n1, проходят этот переход и быстро втягиваются во вторую базовую область p2. Аналогично электроны, инжектированные из области n2 в базовую область р2, проходят через переход П2 и втягиваются в область n1. При этом резко увеличивается число носителей электричества — дырок и электронов, проходящих через коллекторный переход П2. Происходит лавинный пробой этого перехода и резко увеличивается ток, проходящий через тиристор. Характерной особенностью тиристора является то, что его током можно управлять при помощи управляющего электрода (У).
Если на электрод У подать положительный потенциал от вспомогательного источника тока, то через переход будет проходить ток управления Iу. При этом электроны будут инжектироваться из слоя n2 в слой р2 и суммарный ток Iу + Iут превысит ток переключения. Это приведет к открытию тиристора, после чего носители электричества будут свободно переходить через все его четыре области.
Чем больше ток Iy управляющего электрода, тем при меньшем напряжении переключается (открывается) тиристор. После того как тиристор открылся, он будет удерживаться в открытом состоянии прямым током, проходящим из слоя p1 в слой n1, и управляющий электрод перестанет влиять на прохождение тока (его можно отключить от вспомогательного источника питания).
При приложении к тиристору напряжения в обратном направлении он закрывается переходами П1 и П3 независимо от наличия напряжения на управляемом электроде. При этом через тиристор проходит весьма малый обратный ток утечки, приблизительно равный обратному току закрытых переходов П1 и П3.
Практически тиристор может быть открыт путем подачи импульса тока на управляющий электрод при любом значении питающего напряжения U. Для того чтобы открыть его, требуется значительный ток Iy, так как в тиристоре возникает так называемый транзисторный эффект: небольшая мощность, поданная в цепь управляющего электрода, управляет во много раз большей мощностью в главной цепи вентиля. Данный эффект объясняется тем, что слои n2, р2, n1 тиристора образуют как бы транзистор с эмиттерным (П3) и коллекторным (П2) переходами. Поэтому небольшой ток Iy, проходящий по цепи эмиттер—база такого транзистора, приводит к появлению большого тока в цепи коллекторного перехода.
Коэффициент усиления по мощности для тиристоров на токи 100...150 А составляет около 10в4...10в5.
Чтобы запереть (выключить) тиристор в течение минимального времени, к нему, как это отмечалось, необходимо приложить обратное напряжение. Выключить тиристор можно и уменьшением прямого тока, но время запирания в этом случае будет большим (≤ 100 мкс).
Тиристорный усилитель работает в релейном режиме (включено—выключено). Это свойство позволяет использовать его в качестве бесконтактного включающего и выключающего элемента для автоматического управления электродвигателями, муфтами, электромагнитами и другими исполнительными элементами.
Принципиальная схема такого переключающего устройства показана на рис. 3.5.
В этой схеме основными тиристорами являются VT2 и VT3, которые управляются от напряжения питающей сети переменного тока U, а дополнительный тиристор VT1 управляется сигналом Uу. Если сигнал управления Uy отсутствует, то на анод тиристора VT1 подается напряжение через фазосдвигающую цепь Cl, R1. Это напряжение опережает по фазе напряжение сети и через резистор R2 и диод VD2 подается на управляющий электрод тиристора VT2, который включится, как только положительная полуволна напряжения достигнет определенного значения Uвкл. За время прохождения тока по цепи Rн, R3, VT2 происходит зарядка конденсатора С3 через диод VD3 за счет падения напряжения на резисторе R3. В отрицательную полуволну напряжения тиристор VT2 отключается, a VT3 включается током разряда конденсатора С3 по цепи R4, VT3, R3 и по нагрузке Rн проходит переменный ток Iн. Для того чтобы выключить нагрузку (Iн = 0), необходимо на вход тиристора VT1 подать управляющий сигнал; VT1 включится, зашунтировав управляемый (Rш) вход тиристора VT2. Диод VD1 включен параллельно тиристору VT1 для защиты его от пробоя обратным напряжением.
Полупроводниковые усилители

Основными параметрами, по которым производится выбор тиристора, являются: номинальный прямой ток, напряжение, обратное напряжение и ток управления.
Усилители серии «Логика-И». Усилительными элементами «Логика-И» являются элементы И-405 и И-406. Элемент И-405 построен на микросхемах К511. Элемент И-405 содержит шесть усилителей (рис. 3.6, а) с выводами 2, 5, 7, 10, 12, 15. Напряжение питания +15 В подается на вывод 1 и выводы 3, 8, 13. Входами элемента являются выводы 4, 6, 9, 11, 14, 16. Элемент И-406 построен на тиристорных оптронах. Оптрон содержит в себе источник света и светоприемник (рис. 3.6, б). В качестве источника света обычно используются светодиоды VD1 и VD2. Светоприемниками являются фототиристоры BLS1 и BLS2. При подаче сигнала управления на усилитель к клеммам 2 и 5 по цепи 2—VD1—VD2—R1—5 потечет ток. Световой поток светодиодов VD1 и VD2 воздействует на фототиристоры, которые открываются; при этом по цепи управления 8—Rн—BLS1—BLS2—12 потечет ток, т.е. произойдет включение. При отсутствии тока управления на входе усилителя (2—5) ток нагрузки R11 = 0, т.е. цепь управления обесточена.
Полупроводниковые усилители

Важной особенностью такого оптрона является то, что связь между его входом и выходом осуществляется только световым потоком, без всяких других электрических цепей.
Достоинствами такого усилителя являются высокая надежность, способность коммутировать цепи напряжением 110 и 220 В с частотой до 3000 срабатываний в час.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: