Реферат: Виды и применение трансформаторов –

Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора – вторичной.

Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, но этот двигатель обладает некоторыми недостатками – малым усилием при трогании с места и большим пусковым током.

Неподвижная часть двигателя – статор – состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой.

В корпусе расположен сердечник 10 статора, имеющий шихтованную конструкцию. В расточке статора расположена вращающая часть двигателя – ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребрённой поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 8. Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12 (рисунок 6.5), либо посредством фланца.

Рисунок 6.5. Асинхронный двигатель с

короткозамкнутым ротором

Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Медные стержни в пазах не изолируются. В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:

1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.

2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».

Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».

Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».

Недостатки короткозамкнутого ротора в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (рис. 6.6) (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места.

Статор этого двигателя состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а её концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированных друг от друга и от вала.

Рисунок 6.6.Асинхронный двигатель

с фазным ротором

Однофазная обмотка статора 2 создает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить в виде двух полей, вращающихся в разные стороны с частотой n₁ (рис. 6.7.б). Поле 5, которое вращается в том же направлении, что и ротор 3, называется прямым полем; поле 6, вращающееся в противоположном направлении, – обратным полем.

Эти поля, воздействуют на ротор, создают два противоположно направленных электромагнитных момента M_пр и М_обр. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель может быть представлен в виде двух совершенно одинаковых трехфазных двигателей, роторы которых тесно связаны друг с другом, а обмотки подключены к трехфазной сети так, что их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях.

Рисунок 6.7. Разрез однофазного асинхронного двигателя (а),

прямое и обратное вращающиеся магнитные поля (б)

Однако, если ротор раскрутить в каком-либо направлении, то моменты M_пр и М_обр не будут равны. В этом случае на вал двигателя будет действовать некоторый результирующий момент М_рез, который обеспечит его дальнейшее вращение в заданном направлении. Объясняется это тем, что ток в обмотке ротора, созданный обратным полем, оказывает сильное размагничивающее действие и существенно ослабляет обратное поле.

Ротор вращается асинхронно, т.е частота вращения его n меньше частоты вращения поля статора n₁.

Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением S. Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.

С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке э.д.с. и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.

Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное ноле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂<n₁ в сторону вращения ноля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр исполнительного механизма, приведет механизм во вращение.

Асинхронная машина может работать в режиме генератора.

Если ротор вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n > n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁. В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т.е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле. Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне -∞<S<0, т.е. оно может принимать любые отрицательные значения.

Асинхронная машина может работать в режиметорможения противовключением.

Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Т.е. ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие. Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение. В этом режиме s> 1.

Особенности работы однофазного асинхронного двигателя:

· однофазный двигатель не имеет начального пускового момента так, как при неподвижном роторе, результирующий момент М_рез=0;

· частота вращения однофазного двигателя на холостом ходу меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента М_обр. По этой же причине однофазный двигатель имеет худшие рабочие характеристики: меньший к.п.д., меньшую перегрузочную способность, повышенное скольжение при номинальной нагрузке.

Контрольные вопросы

1. Что означает понятие статор с невыраженными полюсами?

2. Как в зависимости от конструкции ротора делятся асинхронные электродвигатели?

3. Какая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки»?

4. Где применяется асинхронный двигатель с фазным ротором?

5. Перечислите недостатки короткозамкнутого ротора.

6. Какое магнитное поле создаёт однофазная обмотка статора асинхронного двигателя?

7. Дайте определение прямого поля.

8. Дайте определение обратного поля.

9. Какое направление имеют магнитные поля, созданные обмоткой статора асинхронного двигателя?

10. Чему равен начальный пусковой момент асинхронного двигателя?

11. Какое направление имеют электромагнитные моменты магнитных полей, созданных обмоткой статора асинхронного двигателя?

На э. п. с. переменного тока преобразование однофазного тока в трехфазный для питания асинхронных двигателей привода вспомогательных машин осуществляют с помощью асинхронных расщепителей фаз. Асинхронный расщепитель фаз представляет собой асинхронную машину с трехфазной обмоткой статора и короткозамкнутым ротором.

Принцип действия.

В расщепителе фаз преобразование однофазного тока в трехфазный производится посредством вращающегося магнитного поля. Это поле индуцирует в обмотке статора э.д.с, сдвинутые относительно друг друга по фазе на определенные углы, равные углам между осями соответствующих катушек. В расщепителе фаз обмотка статора выполнена в виде несимметричной «звезды» (рис. 276, а). Две фазы её С1-0 и С2-01 образуют так называемую двигательную обмотку 2. Третья фаза С3-С4 называется генераторной обмоткой 3. Её используют также для пуска расщепителя фаз. Обмотка ротора 1 выполнена в виде беличьей клетки.

Двигательную обмотку подключают к источнику однофазного тока, т.е. к вторичной обмотке тягового трансформатора. Она служит также для приведения во вращение расщепителя фаз.

Рисунок 6.8.

Схема включения обмоток

расщепителя фаз (а) и диаграмма векторов напряжений, индуцируемых в этих обмотках (б)

Генераторная обмотка 3 сдвинута относительно частей С₁-0 и С₂-0₁ двигательной обмотки приблизительно на угол 120°. Её присоединяют к двигательной обмотке 2 в точке О₁, которая выбирается так, чтобы обеспечить наилучшую симметрию линейных напряжений U_л при номинальной нагрузке. Из этого исходят также при выборе числа витков обмоток (генераторная обмотка имеет несколько большее число витков, чем каждая из двух частей двигательной обмотки).

Однофазная двигательная обмотка 2 расщепителя фаз создает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить в виде двух вращающихся в разных направлениях полей, создающих электромагнитные моменты М_пр и М_обр. По этой причине расщепитель фаз не имеет начального пускового момента.

Для пуска расщепителя используют в качестве вспомогательной фазы генераторную обмотку С₃-С₄, подключаемую к одному из проводов однофазной сети (рис. 276, а). В этом случае в машине образуется система из трех фаз, сдвинутых относительно друг друга в пространстве приблизительно на 120°, т.е. так же, как и в трехфазном асинхронном электродвигателе. Для создания необходимого сдвига по фазе тока в обмотке С₃–С₄ относительно токов в двух других фазах в цепь генераторной обмотки включают при пуске пусковой резистор 4.

В дальнейшем после разгона ротора этот резистор отключается от сети контактом 5. Ёмкость 6 служит для устранения несимметрии напряжений, возникающих при изменении нагрузки расщепителя фаз. Эту ёмкость распределяют в виде отдельных конденсаторов по различным двигателям так, чтобы при отключении какого-либо двигателя отключалась и соответствующая часть конденсаторов. При этом автоматически изменяется и общая ёмкость 6, подключенная к расщепителю фаз.

При вращении ротора обратное поле резко уменьшается, поэтому можно считать, что в машине практически действует лишь прямое поле. Это поле индуцирует в генераторной обмотке э.д.с, которая сдвинута приблизительно на 120° относительно э.д.с, индуцируемых в двух частях двигателей обмотки. В результате образуется трехфазная система линейных напряжений U_л (рис. 276,б), которые подаются на асинхронные двигатели привода вспомогательных машин. При симметричной нагрузке от генераторной обмотки С₃-С₄ расщепителя подается только 1/3 мощности потребителей. Остальные 2/3 необходимой мощности поступают непосредственно от однофазной сети.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Простейший однофазный двухобмоточный трансформатор стержневого типа состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нём обмоток 1 и 3 (рис. 7.1). Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной (с большим числом витков изолированного медного или алюминиевого провода меньшего сечения). К другой обмотке, называемой вторичной (выполнена с меньшим числом витков аналогичного провода большего сечения), подключают потребители.

На витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, наводит в них переменные ЭДС е₁ и е₂.

Если ко вторичной обмотке присоединен какой-либо потребитель, то под действием ЭДС по её цепи потечет электрический ток i₂.

Чем больше нагрузка трансформатора, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э.д.с.

Трансформатор не может преобразовывать напряжение постоянного тока. Создаётся постоянный магнитный поток, который не может индуцировать э.д.с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания Uк на ток короткого замыкания Iк.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим с нагрузкой

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает нагрузочный ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение «трансформатора».

2. Классификация трансформаторов.

3. На чём основан принцип действия трансформатора?

4. Перечислите основные элементы конструкции однофазного двухобмоточного трансформатора стержневого типа?

5. Какая обмотка называется первичной?

6. Какая обмотка называется вторичной?

7. По какой схеме соединяются между собой первичная и вторичная обмотки?

8. Почему вторичная и первичная обмотки имеют различное сечение проводов?

9. Какая существует зависимость между нагрузкой трансформатора и током, поступающим из сети в первичную обмотку.

10. Почему трансформатор не может преобразовывать постоянный ток?

11. Для чего трансформатору требуется охлаждение?

12. Принцип работы трансформатора в режиме короткого замыкания.

13. Принцип работы трансформатора в режиме холостого хода.

14. Принцип работы трансформатора в режиме с нагрузкой.

Реактор – статическое электромагнитное устройство (катушка с ферромагнитным сердечником), предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Реакторы используются для:

· сглаживания пульсаций выпрямленного тока;

· переходные – для переключения выводов трансформатора;

· делительные – для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями;

· токоограничивающие – для ограничения тока короткого замыкания;

· для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов и пр.

При включении катушки с ферромагнитным сердечником в цепь переменного тока в ней индуцируется э.д.с. самоиндукции, которая зависит от числа витков катушки магнитного сопротивления ее магнитопровода, напряжения и частоты его изменения.

При увеличении поданного напряжения сердечник насыщается, намагничивающий ток резко возрастает.

Такая катушка представляет собой нелинейное индуктивное сопротивление, которое можно регулировать изменением воздушного зазора.

Ток, протекающий по катушке с ферромагнитным сердечником, будет иметь пики, тем больше, чем больше насыщение магнитопровода.Если не допускать насыщения сердечника, то будет происходить сглаживание пульсации выпрямленного тока.

Применение реакторов для регулирования и ограничения тока в электрических цепях переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями вместо резисторов экономит электрическую энергию, т.к. в реакторе в отличие от резистора потери мощности незначительные. Они определяются малым активным сопротивлением проводов реактора.

Рисунок 7.2. Катушка с ферромагнитным сердечником

Сглаживающие реакторы(рис. 7.3).Предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного тока на электровозе. Выполнены в виде катушки со стальным сердечником. Устанавливается между выпрямительной установкой и тяговым двигателем. Активное сопротивление катушки весьма мало, поэтому она практически не влияет на постоянную составляющую выпрямленного тока.

Для переменной же составляющей тока катушка создает индуктивное сопротивление тем большее, чем выше частота переменного тока. В результате этого амплитуды гармонических составляющих выпрямленного тока резко уменьшаются и, следовательно, снижается пульсация тока.

.

Рис. 7.3.Кривая выпрямленного тока без

сглаживающего реактора и с реактором

Эти реакторы рассчитывают так, чтобы снизить коэффициент пульсации тока до 25-30 %В процессе нарастания тока (участок аб) в сглаживающем реакторе накапливается электромагнитная энергия, что препятствует резкому увеличению тока. При уменьшении тока (участок бв) реактор наоборот, отдает запасенную в них энергию в цепь, поддерживая уменьшающийся ток.

Переходной реактор(рис. 7.4, а) предназначен для переключения выводов трансформатора. Выполнен в виде катушки с тремя выводами. Средний вывод делит катушку наполовину.

В исходном положении крайние выводы переходного реактора подключены к одному выводу вторичной обмотке трансформатора, к выводу

2

. Ток нагрузки делится между полуобмотками реактора поровну и направлен в них встречно. Поэтому индуктивное сопротивление реактора равно нулю.

Переключение на третий вывод трансформатора проходит в два этапа. На первом этапе один из крайних выводов переходного реактора отсоединятся от второго вывода трансформатора – напряжение на нагрузке не теряется. Затем этот вывод подсоединяется к выводу 3 вторичной обмотки трансформатора – напряжение на нагрузке увеличивается на ½ напряжения секции, ток короткого замыкания ограничивается индуктивным сопротивлением переходного реактора (рис. 7.4, б).

На втором этапе второй вывод переходного реактора отсоединяется от 2-го вывода трансформатора и подключается на 3-ий вывод трансформатора – при этом напряжение на нагрузке увеличивается ещё на ½ напряжения секции.

Токоограничивающие реакторы. На электроподвижном составе переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями в некоторых случаях последовательно с выпрямительной установкой включают токоограничивающие реакторы. Полупроводниковые вентили имеют малую перегрузочную способность и при больших токах быстро выходят из строя. Поэтому при использовании их необходимо принимать специальные меры для ограничения тока короткого замыкания и быстрого отключения выпрямительной установки от источника питания до того, как этот ток достигнет значения, опасного для вентилей.

При коротком замыкании в цепи нагрузки и пробое вентилей индуктивность реактора ограничивает ток короткого замыкания (примерно в 4 – 5 раз по сравнению с током без реактора) и замедляет скорость его нарастания. В результате этого за период времени, необходимый для срабатывания защитной аппаратуры, ток короткого замыкания не успевает возрасти до опасного значения.

В токоограничивающих реакторах иногда применяют дополнительную обмотку, выполняющую роль вторичной обмотки трансформатора. При возникновении короткого замыкания резко возрастает ток, проходящий по основной обмотке реактора, и увеличивающийся магнитный поток индуцирует в дополнительной обмотке импульс напряжения. Этот импульс служит сигналом для срабатывания устройства защиты, отключающего выпрямительную установку.

Магнитные усилители(рис.7.5).Электромагнитный аппарат, служащий для плавного регулирования переменного тока, поступающего к нагрузке, путем изменения индуктивного сопротивления Х𝐋 (катушки с ферромагнитным сердечником, включенной последовательно с нагрузкой). Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником при подмагничивании её постоянным током. С помощью такого аппарата можно регулировать большие токи посредством сравнительно слабых электрических сигналов.

Магнитные усилители широко применяют на тепловозах для автоматического регулирования возбуждения главного генератора и на э.п.с. для регулирования напряжения источника служебного тока при зарядке аккумуляторных батарей, в стабилизаторах напряжения и для других целей. Существуют магнитные усилители с насыщающимися реакторами и с самонасыщением (с самоподмагничиванием).

Он включает в себя два сердечника из ферромагнитных материалов и обмотки переменного и постоянного тока. Обмотки переменного тока называют рабочими обмотками ОР1 и ОР2, они имеют одинаковое число витков и включены встречно.

Рис. 7.5. Магнитный усилитель

Обмотки постоянного тока называют обмотками управления ОУ. Обмотка управления охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока.

При протекании переменного тока по рабочим обмоткам возникает большое индуктивное сопротивление и ток в цепи нагрузки будет небольшим.

При протекании постоянного тока по обмотке управления ОУ, сердечник намагничивается и величина индуктивного сопротивления рабочих обмоток ОР1 и ОР2 уменьшится. Ток нагрузки увеличится.

Увеличение тока нагрузки может происходить до насыщения сердечника. Ток рабочей обмотки является выходным сигналом.

Основными параметрами магнитного усилителя являются коэффициенты усиления тока и мощности. Коэффициент усиления тока – это отношение изменения рабочего тока к соответствующему изменению тока управления. Коэффициент усиления мощности– отношение выходной мощности рабочего тока к мощности, потребляемой обмотками управления.

Магнитные усилители с насыщающимися реакторами(рис. 7.6.).Используют два насыщающихся реактора L₁ и L_2. Каждый выполнен в виде катушки 1 (рабочей обмотки) с ферромагнитным сердечником 3 и подмагничивающей обмоткой 2, по которой проходит постоянный ток (ток управления Iу). Рабочие обмотки 1 реакторов L₁ и L₂ включают согласованно, чтобы индуцированные в них переменные э.д.с. е_L1 и е_L2 складывались, а обмотки управления 2 включают встречно, чтобы индуцированные в них э.д.с. е_У1 и е_У2 были направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожались. Входом магнитного усилителя, на который подаётся управляющий сигнал Uу, являются зажимы а и b обмоток управления обоих реакторов. Выходом усилителя служат точки с и d, к которым подключают нагрузку Rн последовательно (если она питается переменным током, рис. 7.6.а) или через выпрямитель В (если питается постоянным током, рис. 7.6.б).

Рисунок 7.6. Схемы магнитных усилителей с насыщающими реакторами с выходом на

а) переменном и б) постоянном токе

1 – рабочая обмотка; 2 – подмагничивающая обмотка; 3 – ферромагнитный сердечник;

а, b – вход магнитного усилителя; с, d – выход магнитного усилителя; L₁ и L₂ –реакторы; Ф₁ и Ф₂ – магнитные потоки реакторов L₁ и L₂; I_у– ток управления; U – напряжения питания; U_у – управляющее напряжение; Uв_н – выходное напряжение; е_L1 и е_L2 –переменные э.д.с. реакторов L₁ и L₂; R_н – сопротивление нагрузки; В – выпрямитель;

Источником питания магнитного усилителя служит сеть переменного тока или трансформатор, подключённый к питающей сети (если напряжение питания отличается от напряжения сети).

Магнитный усилитель способен усиливать электрические сигналы за счёт того, что мощность, потребляемая обмоткой управления и расходуемая на её нагрев намного меньше мощности, передаваемой нагрузке Rн.Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления, регулируют значительно большую мощность, поступающую к нагрузке Rн.

Магнитный усилитель работает следующим образом. Когда на вход усилителя не подаётся управляющий сигнал (напряжение на входе усилителя Uу и ток управления Iу равны нулю), сердечники реакторов не насыщены и рабочие обмотки 1 имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому ток в цепи нагрузки мал (ток холостого хода). Мало и напряжение на нагрузке Uв_н (выходное напряжение),т.к. большая часть напряжения питания U теряется в виде падения напряжения IX_Lв рабочих обмотках. В результате, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания.

При подаче в обмотки управления 2 тока управления Iу сердечники реакторов подмагничиваются и индуктивное сопротивление Х_Lрабочих обмоток уменьшается. При этом растут ток в цепи нагрузки и поступающая к ней мощность.

Стабилизатор напряжения.В схемах стабилизации напряжения используют резисторы, полупроводниковые приборы или реакторы с линейной и нелинейной вольт-амперными характеристиками.

Если включить линейный элемент, например, реактор L₁, последовательно с нагрузкой R_н,а нелинейный насыщающийся реактор L₂ –параллельно ей (рис. 7.7), то при изменении входного напряжения U_вх в некоторых пределах выходное напряжение U_вых будет оставаться постоянным. Так как нелинейный реактор L₂ в режиме насыщения и напряжение на его зажимах практически не изменяется при изменении проходящего по нему тока, то при изменении напряжения U_вх происходит перераспределение напряжений между последовательно включёнными реакторами L₁ и L₂ и весь прирост напряжения U_вх приходится на линейный реактор L₁.

Напряжение же на нелинейном реакторе, параллельно которому включена нагрузка R_н, будет стабилизированным в некоторых пределах, зависящих от вольт-амперной характеристики нелинейного реактора и пределов изменения напряжения U_вх. Такой стабилизатор напряжения называют ферромагнитным. Недостатками его являются низкий коэффициент мощности и значительные габаритные размеры.

Для уменьшения габаритных размеров стабилизатор выполняют с объединённой магнитной системой, а для повышения коэффициента мощности параллельно нелинейному реактору включают конденсатор С. Такой стабилизатор напряжения называют феррорезонансным.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначен реактор?

2. Из чего состоит реактор?

3. От чего зависит величина индуцируемой э.д.с. в катушке реактора?

4. Какой экономический эффект даёт применение реактора?

5. Назначение сглаживающих реакторов.

6. Перечислите элементы конструкции сглаживающего реактора.

7. От чего зависит индуктивность реактора?

8. Какие реакторы применяют на электровозах и электропоездах?

9. Назначение токоограничивающих реакторов.

10. Назначение дополнительной обмотки в токоограничивающих реакторах.

11. Назначение магнитных усилителей.

12. Принцип действия магнитного усилителя с насыщающимися реакторами.

13. Назначение стабилизатора напряжения.

Полупроводниками называются материалы, имеющие на внешнем уровне по 4 электрона. Особенностью полупроводников является то, что каждый электрон образует общую орбиту с электроном соседнего атома (рис.8.1).

Химическую связь двух соседних атомов называют ковалентной или парноэлектронной.

При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле полупроводника взаимно связаны и свободных электронов нет, полупроводник не обладает проводимостью.

При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов.

Уже при комнатной температуре под действием внешнего электрического поля свободные электроны переме­щаются и в кристалле возникает электрический ток.

Рисунок 8.1.

Перемещение дырок подобно перемещению положительных зарядов и называется дырочной электропроводностью или р-проводимостью. Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов.

Процесс образования пары электрон-дырка называется генерацией.

Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной прово­димости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.

В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс – рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи.

При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным.

При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно воз­растает, и проводимость полупроводника значительно увеличивается, т. е. полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной.

Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного малого количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками и наоборот.

а) б)

Рисунок 8.2.

При замещении атома полупроводника атомом 3-валентного вещества (алюминий, индий, галлий) его электроны образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами полупроводника, а связи с четвертым атомом не будет, т.к. четвертого электрона у примеси нет (рис.8.2.а). Создание связи возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома полупроводника. Но в этом случае появится дырка. Такая примесь вызывает преобладание дырочной проводимости и называется акцепторной.

Носители заряда, определяющие собой тип проводимости в примесном полупроводнике, называются основными, противоположного знака – не основными.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называются полупроводниками?

2. Какую связь называют ковалентной или парноэлектронной?

3. Как влияет изменение температуры на поведение электронов?

4. Дайте определение электронной проводимости.

5. Дайте определение генерации.

6. Дайте определение дырочной проводимости.

7. Опишите процесс рекомбинации.

8. Дайте определение собственной электропроводности.

9. Дайте определение донорной примеси.

10. Дайте определение акцепторной примеси.

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. На фотографии виден полупроводник с контактами, подходящими к нему (рис. 8.3).

Так как между областями р– и n– типов значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n, а электронов в область р. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода – контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).

Полупроводниковый диод представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с дырочной, а другой с электронной проводимостью (от др. – греч. Δις-два и –од, означающего путь) (рис. 8.4).

В тонком пограничном слое у n-типа возникнет положительный заряд, а у р-типа отрицательный заряд. Между зарядами возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле Е_п, которое препятствует дальнейшему диффузному перемещению основных носителей. На границе двух полупроводников возникает слой, обладающий большим сопротивлением.

Этот слой называют запирающим слоем или р-n-переходом.

Вследствие теплового движения в электрическое поле р-n-перехода попадают неосновные носители заряда.

Движение неосновных носителей заряда под действием сил поля р-n-перехода направлено встречно диффузионному току основных носителей и называется дрейфовым или тепловым током.

При отсутствии внешнего поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р-n-переход равен нулю.

Рисунок 8.4

Соединим плюс источника с полупроводником n-типа, а минус – с р-типа, получим внешнее поле, направленное согласно полю р-n-перехода Е_в и усиливающее его. Через диод будет проходить малый обратный ток. При изменении полярности источника питания внешнее поле будет направлено встречно полю р-n-перехода. В цепи установится прямой ток, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении питания.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий).

По конструктивному принципу диоды разделяют на точечные и плоскостные. Точечные рассчитаны на токи до нескольких сотен миллиампер, а плоскостные – до нескольких ампер, в том числе силовые – до нескольких тысяч ампер.

По назначению диоды разделяются на следующие:

· выпрямительные диоды (как разновидность выпрямительных – силовые), которые предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (рис. 8.5, а). В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, допускающие большие выпрямительные токи;

· высокочастотные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в широком диапазоне частот, а также для детектирования. В качестве высокочастотных диодов применяют диоды точечной конструкции;

· импульсные диоды, которые применяют в схемах генерирования и усиления импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов;

· туннельные диоды (рис. 8.5, в), применяемые в качестве усилителей и генераторов высокочастотных колебаний;

· светодиоды (рис. 8.5, е), которые используют в качестве световой индикации наличия тока и которые имеют разные цвета свечения;

· стабилитроны (рис. 8.5, б), предназначенные для стабилизации уровня напряжения при изменениях значения протекающего через них тока;

· варикапы (рис. 8.5, г) – полупроводниковые диоды, емкость которых можно изменять в широких пределах;

· фотодиоды (рис. 8.5, д), которые являются источниками тока, преобразующими световую энергию в электрическую, причем сила тока пропорциональна освещенности фотодиода.

Маркировка диодов.

Маркировка полупроводниковых диодов, рассчитанных на сравнительно небольшие токи (до 10 А) состоит из шести буквенных и цифровых элементов:

· первый элемент обозначает исходный материал: К или 2 – кремний; Г или 1 – германий; А или 3 – арсенид галлия.

· второй буквенный элемент обозначает тип прибора: Д – диоды выпрямительные; А – сверхвысокочастотные диоды; В – варикапы; И – туннельные диоды; С – стабилитроны; Л – светодиоды.

· третий, четвертый, пятый элементы – цифры, характеризующие некоторые электрические параметры прибора, в частности мощность рассеяния.

· шестой элемент – буква (от А до Я), обозначающая последовательность разработки.

Например, КД215А – кремниевый выпрямительный диод, КС211Б – кремниевый стабилитрон с напряжением стабилизации 11 В, средней мощности.

Полупроводниковые диоды, рассчитанные на токи от 10 А до 2000 А и более часто называют силовыми неуправляемыми вентилями и маркируют буквой В (вентиль), после которой проставляется число, указывающее значение прямого номинального тока. В качестве силовых в основном используют кремниевые диоды, которые делятся на группы, классы и подклассы. Класс диода зависит от значения обратного номинального напряжения. Группа диода определяется значением падения напряжения в прямом направлении при номинальном токе I_ном. Группы обозначаются буквами от А до Е.

Например, падение напряжения группы А равно 0,4 – 0,5 В. Каждая группа делится на три подгруппы, отличающиеся значением падения напряжения (для группы А: 0,4 – 0,42 В; 0,44 – 0,46 В; 0,48 – 0,5 В). Например, В200-8-54 – вентиль кремниевый, номинальный ток 200 А, 8-й класс (обратное номинальное напряжение 800 В), падение напряжения при номинальном токе 0,54 В (группа Б).

Устройство диодов.В плоскостных диодах основным элементом является пластика из кремния или германия, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме р–n–переход. Для защиты диода от внешней среды пластинку полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют специальные охладители.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение полупроводникового диода.

2. Как возникает электрическое поле в диоде.

3. Дайте определение дрейфового тока.

4. Классификация диодов по конструктивному признаку.

5. Классификация диодов по конструктивному признаку по назначению.

6. Устройство диодов.

Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластинку кремния или германия, состоящую из трех областей.

Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя – противоположный (рис. 8.7). Отсюда два типа транзисторов р-n-р или n-р-n.Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны, различие заключается в полярности включения источников питания.

Смежные области, отделенные друг от друга р-n-переходами, называются эмиттер, коллектор и база.

Эмиттер – область, испускающая носители зарядов.

Коллектор – область, собирающая носители зарядов.

База – средняя область (основание).

К эмиттеру прикладывается напряжение эмиттер-база в прямом направлении, а к коллектору (база-коллектор) – в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из эмиттера через р-n-переход переходит в очень узкую базу (инжекция). В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, объединяется со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями из внешней цепи, образующими ток базы.

Большая часть носителей зарядов приблизится ко второму

р-n

-переходу и втягивается в коллектор (экстракция), увеличивая ток коллектора. Если увеличить напряжение эмиттер-база, то увеличится ток эмиттера и ток коллектора.

Iэ=Iб Iк.

Транзистор может находится в трех состояниях:

· заперт – если потенциал базы равен или меньше потенциала эмиттера (режим отсечки);

· открыт – выше потенциала эмиттера, при этом транзистор реагирует на изменение потенциала базы;

· насыщен – наступает момент, когда увеличение напряжения базы не приводит к увеличению тока коллектора.

Возможны три схемы включения: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р–n– переходами и тремя выводами.

Транзисторы применяются для усиления электрических сигналов и колебаний, генерирования электрических сигналов и колебаний и в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Основным элементом транзистора является кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной проводимостью (рис 8.8). Если средняя область имеет электронную проводимость, а две крайние – дырочную, то такой транзистор принадлежит к типу p-n-pв отличие от транзистора типа n-p-n, имеющего среднюю область с дырочной проводимостью, а две крайние – с электронной. Средняя область называется базой. Одна крайняя область, инжектирующая (эмитирующая) носители заряда в базу, называется эмиттером, а другая крайняя область, собирающая инжектированные носители заряда из базы, – коллектором.

К каждой из этих областей припаивают внутренние и внешние токоотводы (рис. 8.9), с помощью которых транзистор включают в электрическую цепь. Кристалл крепится на специальном кристаллодержателе и помещают в герметичный металлический, пластмассовый или стеклянный корпус. В структуре транзистора имеются два р–n–перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой). Толщину базы при изготовлении транзистора делают очень маленькой.

Кроме того, концентрацию основных носителей базы делают значительно меньше, чем концентрация основных носителей в эмиттере и коллекторе.

Принцип действия биполярного транзисторарассмотрим на примере транзистора типа p-n-p (рис. 8.10). При наличии напряжений U_ЭБ и U_БК указанной полярности, создаваемых соответственно источниками Е_Э и Е_К, эмиттерный переход П₁ будет включен в прямом направлении, а коллекторный переход П₂ для основных носителей базы (электронов) и коллектора (дырок) – в обратном (непроводящем) направлении. Через открытый переход П₁ дырки из эмиттера поступают (инжектируются) в базу, создавая ток эмиттера I_Э. Как было отмечено выше, концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере. Поэтому только небольшая часть дырок эмиттера вместе с таким же количеством электронов базы будут создавать небольшой ток базы I_Б, примерно на два порядка меньший тока эмиттера. Основная же часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, быстро проходит узкую базу и оказывается у перехода П₂, который для этих дырок включен в прямом направлении. Поэтому эти дырки проникают в коллектор, создавая ток коллектора I_К. Соотношение между токами в транзисторе следующее: I_Э= I_К I_Б. Практически, из-за малого значения тока базы считают, что ток I_К приблизительно равен току I_Э.

Изменяя напряжение U_ЭБ или ток базы I_Б, можно изменять значительно больший по величине ток коллектора I_К. В этом проявляются усилительные свойства транзистора. С помощью транзистора можно усиливать ток, напряжение и мощность.

Схемы включения и режимы работы биполярных транзисторов.При подключении транзистора в конкретную схему следует выделить его входную и выходную цепи. При этом два вывода транзистора являются входным и выходным зажимом соответственно входной и выходной цепей, а третий вывод транзистора – общим входным и выходным зажимом. Общим может быть любой из выводов транзистора. В связи с этим возможны три схемы включения транзистора:

· с общей базой (ОБ) (рис.8.11, а);

· с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 8.11, б);

· с общим коллектором (ОК) (рис. 8.11, в).

В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОК входной является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

Для усиления тока транзистор включают по схеме с ОЭ или ОК. Для усиления напряжения транзистор включают по схеме с ОБ или ОЭ. Для усиления мощности наибольший эффект достигается при включении транзистора по схеме с ОЭ.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного к эмиттерному и коллекторному переходам, различают следующие режимы работы транзистора:

· активный режим, когда на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим применяется для усиления слабых сигналов;

· режим насыщения, когда к обоим переходам приложено прямое напряжение. В этом режиме транзистор полностью открыт и ток через транзистор определяется только параметрами внешних элементов схемы.

· режим отсечки, когда оба перехода находятся под обратным напряжением. В этом режиме транзистор полностью закрыт и ток через него практически равен нулю.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение транзистора.

2. Дайте определение эмиттера.

3. Дайте определение коллектора

4. Дайте определение базы.

5. В каких состояниях может находиться транзистор?

6. Определение биполярного транзистора.

7. Устройство биполярного транзистора.

8. Принцип действия биполярного транзистора.

Тиристор

Тиристор – полупроводниковый прибор, получаемый при объединении четырех полупроводниковых зон с разным типом проводимости.

Крайние области называются анодом (р-область) и катодом (п-область), две промежуточные области называются п-база и р-база (рис.8.12). Тиристор имеет три р-п–перехода П₁, П₂, П₃.

Анодное напряжение включено так, что переходы П₁ и П₃ работают в прямом направлении, П₂ – в обратном.

При включении анодного напряжения сопротивление обратного р-п-перехода П₂ велико и через тиристор ток не проходит.

1. При увеличении анодного

напряжения оно достигнет некоторого определенного значения, которое называется

напряжением переключения

и в переходе

П₂

напряженность электрического поля станет достаточной для ионизации и образования новых носителей заряда (электрон-дырка). Сопротивление перехода резко сокращается и тиристор открывается.

2. Если на р–базу подать управляющий импульс, то, как в транзисторе, электроны из катода пройдут через р-базу и попадут в п-базу, в которой будет наблюдаться избыток электронов. В результате возникает встречное движение дырок из р-области анода, которые проходят в р-базу и вызывают дополнительное движение электронов из п-области катода. Развивается лавинообразный процесс, и ток в цепи резко возрастает. При прекращении управляющего импульса, ток в цепи не изменяется и прекращается после отключения анодного напряжения.

Используется тиристор как переключающее устройство.

Тиристоры очень мощные устройства, они могут переключать цепи, токи в которых достигают сотен и даже тысяч ампер, напряжения могут быть до нескольких тысяч вольт.

В зависимости от способа управления прибором различают тиристоры диодные (динисторы) и триодные (тринисторы) (рис. 8.13).

Динисторы имеют два вывода (электрода) – анод и катод, тринисторы, кроме анода и катода, имеют еще и третий вывод – управляющий электрод.

Принцип действия тиристора.При наличии между анодом и катодом обратного напряжения тиристор находится в закрытом состоянии. При наличии на тиристоре прямого напряжения тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытом и открытом. При этом условия перехода из закрытого состояния в открытое для динисторов и тринисторов отличаются.

Когда к динистору приложено прямое напряжение (рис. 8.14), переходы П₁ и П₃ открыты, но динистор заперт переходом П₂, который при этом включен в обратном направлении. Ток через динистор практически отсутствует. При увеличении прямого напряжения динистор будет находиться в закрытом состоянии, пока прямое напряжение не достигнет напряжения, называемого напряжением включения U_ВКЛ (рис.8.15). При этом практически происходит лавинный пробой перехода П₂, его сопротивление резко уменьшается. Напряжение на динисторе скачкообразно снижается, а ток возрастает – динистор открывается. Динистор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий через него прямой ток не станет равным току выключения I_ВЫКЛ. Практически это происходит, когда на динистор подается обратное напряжение. При этом динистор закрывается. Для открытия динистора необходимо снова подать на него прямое напряжение, равное или превышающее напряжение включения.

Особенностью управляемого тиристора является то, что он может открываться при любом значении прямого напряжения. Необходимо подать электрический сигнал на управляющий электрод, тиристор открывается и находится в открытом состоянии, пока к нему приложено прямое напряжение. После открывания тиристора наличие отпирающего сигнала на управляющем электроде необязательно, т.е. управляющий сигнал является кратковременным импульсом. Перевести тиристор из открытого состояния в закрытое с помощью управляющего импульса невозможно. Для закрывания тиристора необходимо, так же, как и в случае с динистором, уменьшить прямой ток до величины тока удержания или подать на него обратное напряжение. В цепях переменного тока это происходит при смене полярности питающего напряжения. В цепях постоянного тока обратное переключение тиристора требует специальных устройств.

Промышленностью выпускаются мощные силовые тиристоры различных типов на токи от 10 до 2000 А и более, маломощные неуправляемые тиристоры К_Н (динисторы) и управляемые тиристоры К_У (тринисторы) на токи до 10 А.

Конструкция силовых тиристоров.По конструктивному исполнению эти тиристоры разделяются на штыревые и таблеточные. Тиристоры штыревой конструкции (рис. 8.16) имеют герметичный корпус и три вывода. Основу конструкции составляет монокристаллическая кремниевая пластина со структурой p-n-p-n, являющаяся выпрямительным элементом. К выпрямительному элементу с обеих сторон припаивают термокомпенсирующие вольфрамовые пластины. Выпрямительный элемент укреплен на медном основании. Это основание является анодом тиристора, выполнено в виде шестигранника и имеет шпильку с резьбой для вворачивания тиристора в охладитель.

Катодом является гибкий медный вывод, соединенный через втулку с силовым выводом. Медный вывод припаян к вольфрамовой пластине. Выводом управляющего электрода служит медный провод небольшого сечения, который припаивают к отдельной термокомпенсирующей пластине, соединенной с соответствующей областью выпрямительного элемента. Вывод управляющего электрода изолирован от корпуса и силового вывода стеклянным изолятором.

Тиристор таблеточной конструкции (рис. 8.17) также состоит из четырехслойного кремниевого выпрямительного элемента, который соединен с вольфрамовыми термокомпенсирующими пластинами. Выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между нижним и верхним медными основаниями, которые являются соответственно анодом и катодом тиристора. Положение выпрямительного элемента внутри корпуса фиксируется втулкой из изоляционного материала. Управляющий электрод соединяют с гибким проводником, который выводят наружу через отверстие в корпусе. Тиристоры таблеточной конструкции в отличие от тиристоров штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями (основаниями) между двумя половинками охладителей, изолированных друг от друга и имеющих большую поверхность охлаждения. Тиристоры таблеточной конструкции более перспективны в использовании, так как обладают повышенной теплостойкостью.

Силовые управляемые тиристоры широко применяются в различных статических преобразователях (управляемые выпрямители, преобразователи частоты).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение тиристора.

2. Дайте определение напряжения переключения.

3. Область применения тиристора.

4. Принцип действия тиристора.

5. Конструкция силовых тиристоров.

Широкое применение электронных и ионных приборов объясняется их ценными свойствами. Позволяют:

1. преобразовывать электрическую энергию одного вида в электрическую же энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую энергию и обратно;

2. осуществлять весьма сложные процессы, при которых оптическое изображение преобразуется в электрический ток специальной формы или наоборот (например, в телевизионных и осциллографических трубках);

3. применять их в огромном диапазоне частот от нуля примерно до 10 в 12 степени Гц;

4. осуществить удобное регулирование различных электрических, световых и других величин плавно или ступенями, с большой или малой скоростью и с относительно малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т.е. без значительного снижения к.п.д., характерного для многих других способов регулирования и управления.

Все эти достоинства электронных и ионных приборов обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерирования и преобразования частоты различных электрических токов, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и многих других процессов.

Электронные и ионные приборы, иначе называемые электровакуумными, подразделяются на многие типы по различным признакам. Простейшие приборы, имеющие только два электрода (анод и катод), являются в большинстве случаев неуправляемыми. У более сложных, управляемых приборов электронный поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим полем с помощью управляющих электродов, или магнитным полем.

Ионные приборы:

– это газоразрядные, электровакуумные приборы, действие которых основано на использовании различных видов электрических разрядов в газе (инертных газах, водороде) или парах металла.

Простейший ионный прибор представляет собой диод, баллон которого наполнен инертным газом или парами ртути. Свойства приборов определяются взаимодействием электронного потока с газовой средой и электрическим полем между электродами (анодом и термоэлектронным или холодным катодом). При движении от катода к аноду электроны, соударяясь с атомами и молекулами газа, ионизируют их; в пространстве между электродами образуются электроны и положительно заряженные ионы. Вследствие компенсации пространственного заряда электронов положительными ионами в ионные приборы можно получить очень большие силы токов при небольшой разности потенциалов (падении напряжения) между электродами, что недостижимо в других типах электровакуумных приборов. Для управления моментом возникновения разряда применяют дополнительные электроды (сетки, вспомогательные аноды и др.). Электрические разряды в большинстве случаев сопровождаются излучением света (свечением), характерного для данного газа спектрального состава.

Насчитывается более 50 классов ионных приборов, работа которых основана на использовании отдельных свойств того или иного вида разряда, главным образом тлеющего разряда, дугового разряда, искрового разряда, коронного разряда.

Приборы тлеющего разряда (сигнальные лампы, стабилитроны, тиратроны с холодным катодом, декатроны, цифровые индикаторные лампы, матричные индикаторные панели и др.) составляют наиболее многочисленную группу ионных приборов. Давление газа в них – десятки н/м², сила тока не превышает несколько десятков мА; долговечность – десятки тыс. часов. Они имеют малые габариты и массу. Однако быстродействие таких приборов не превышает сотен мкс (рабочая частота – десятков кГц).

В приборах дугового разряда, главным образом с подогревным катодом, давление газа составляет десятые доли н/м². Такие приборы (газотроны, тиратроны, клипперные приборы, таситроныи др.) имеют низкое внутреннее сопротивление (десятки Ом), падение напряжения в них 10-20 В (в импульсном режиме – 100-200 В). Долговечность их ограничена постепенным разрушением катода и понижением давления (жестчением) наполняющего газа. Для увеличения долговечности приборов используют жидкий ртутный катод (ртутные вентили, игнитроны). Приборы с таким катодом способны пропускать ток силой до нескольких тыс. ампер и выдерживать обратное напряжение до сотен кВ. Известны приборы дугового разряда с самоподогревающимся катодом – аркатроны.

В приборах искрового разряда при подаче между двумя металлическими холодными электродами напряжения, превышающего определённое значение (напряжение пробоя), возникает электрическая искра в виде ярко светящегося тонкого канала, обычно сложным образом изогнутого и разветвленного. Давление газа в них десятки или несколько сотен кн/м². Часто применяются смеси инертных газов с кислородом, углекислым газом и т. п. Время формирования искрового разряда очень мало – доли нсек. Свойство разрядного промежутка почти мгновенно изменять свою электропроводность в значительных пределах (электрическое сопротивление промежутка изменяется от долей Ома до сотен МОм) используется в искровых разрядниках – неуправляемых и управляемых (тригатронах).

В приборах коронного разряда (стабилитронах и др.) ионизация газа происходит в области наибольшей напряжённости поля (область коронирования) при необходимом условии – резкой неоднородности электрического поля между двумя электродами (например, при коаксиальной форме электродов). Давление газа в них – сотни н/м² и выше. Зависимость силы тока от напряжения, приложенного к электродам, представляет собой прямую, почти параллельную оси токов.

Отдельную группу ионных приборов составляют:

– газоразрядные источники света, большинство из которых – приборы дугового разряда, работающие при высоком давлении газа (несколько сотен кн/м²);

– лампы высокой интенсивности излучения; эритемная лампа, дающая сильное ультрафиолетовое излучение;

– газовые лазеры (атомарные, ионные, молекулярные), являющиеся источниками когерентных электромагнитных колебаний светового диапазона волн, и т. д.

Известна также отдельная группа ионных приборов (аттенюаторы, фазовращатели, разрядники и др.), работа которых основана па взаимодействии сверхвысокочастотного поля и ионизированной области газа.

Контрольные вопросы

1. Назовите достоинства электронных и ионных приборов.

2. Принцип работы ионных приборов.

3. Классификация ионных приборов.

4. Особенности работы приборов тлеющего разряда.

5. Особенности работы приборов дугового разряда.

6. Особенности работы приборов тлеющего разряда.

7. Особенности работы приборов коронного разряда.

Современным этапом микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры является применение интегральных микросхем (ИМС). В свою очередь, использование унифицированных функциональных узлов на основе интегральных микросхем позволит решить ряд технико-экономических задач:

– создание аппаратуры с минимальными размерами и массой;

– повышение срока службы и надежности аппаратуры;

– автоматизация технологических процессов сборки функциональных узлов и ремонта аппаратуры;

– уменьшение потребляемой энергии;

– снижение себестоимости.

Интегральные микросхемы состоят из сотен активных и пассивных элементов, соединенных между собой и заключенных в общий корпус. Планарная технология позволяет получить плотность упаковки в интегральных микросхемах в тысячи раз больше, чем плотность упаковки в микромодульной конструкции.

Интегральные микросхемы подразделяются:

– по виду обрабатываемого сигнала

· аналоговые – входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Предназначены для преобразования и усиления непрерывных сигналов. К ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения стабильности характеристик и точности воспроизведения сигнала.

· цифровые – входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания 5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4-5 В – логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон от -0,8 до -1,03 В – логической единице, а от -1,6 до -1,75 В – логическому нулю. Предназначены для передачи и переработки цифровой информации.

· аналого-цифровые – совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель (электроника) сигнала и аналого-цифровой преобразователь.

– по технологическим признакам:полупроводниковые, пленочные и гибридные.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные схемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Пленочные интегральные схемы выполняются на диэлектрической подложке путем напыления. Гибридные ИМС представляют комбинацию дискретных навесных активных компонентов и пленочных пассивных элементов, напылённых на диэлектрической подложке.

Маркировка.

На выпускаемые и разрабатываемые в нашей стране интегральные микросхемы установлена классификация и система обозначений. В соответствии с принятым ГОСТом 18682-73:

– первый элемент – цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполнение микросхемы:

1; 5; 7 – полупроводниковые;

2; 4; 6; 8 – гибридные;

3 – прочие (пленочные, вакуумные и т.д.);

– второй элемент – две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем (от 00 до 99);

– третий элемент – две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхем;

– четвертый элемент – порядковый номер разработки микросхем по функциональному признаку в данной серии.

– Буквы К, КН, КР обозначают условия их приемки.

УН – усилитель низкой частоты;

УЕ – усилители-повторители;

УИ – импульсные усилители;

УВ – усилители высокой частоты;

УР – усилители промежуточной частоты;

ПС – преобразователи частоты;

ДА – детекторы амплитудно-модулированных сигналов;

ДС – детекторы частотно-модулированных сигналов;

УД – операционные и дифференциальные усилители.

Первые два элемента обозначения определяют номер серии интегральных микросхем, объединяющих микросхемы, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Гибридная микросборка STK403-090, извлечённая из корпуса.

· Полупроводниковая микросхема – все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

· Плёночная интегральная микросхема – все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

Ø толстоплёночная интегральная схема;

Ø тонкоплёночная интегральная схема.

· Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и (или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

· Смешанная микросхема – кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Степень интеграции.

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

· малая интегральная схема (МИС) – до 100 элементов в кристалле,

· средняя интегральная схема (СИС) – до 1000 элементов в кристалле,

· большая интегральная схема (БИС) – до 10 тыс. элементов в кристалле,

· сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – более 10 тыс. элементов в кристалле.

Типы логики.

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

· Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах – самые экономичные (по потреблению тока):

Ø МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) – микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

Ø КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) – каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Существует также смешанная технология BiCMOS.

· Микросхемы на биполярных транзисторах:

Ø РТЛ – резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

Ø ДТЛ – диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

Ø ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика – микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

Ø ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки – усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

Ø ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика – на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, – что существенно повышает быстродействие;

Ø ИИЛ – интегрально-инжекционная логика.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость к статическому электричеству – достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 – сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс.

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х он был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

· Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» – что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» – (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором – через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.

· Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

· Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1») и достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Контрольные вопросы

1. Классификация интегральных микросхем по виду обрабатываемого сигнала.

2. Классификация интегральных микросхем потехнологическим признакам.

3. Маркировка интегральных микросхем.

4. Степень интеграции интегральных микросхем.

5. Типы логики интегральных микросхем.

6. Технологический процесс изготовления интегральных микросхем.

Тема 11. Выпрямители

Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий. Выпрямитель состоит из следующих основных элементов:

· силового трансформатора, служащего для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя, а также разделения питающей сети и цепи нагрузки;

· блока диодов или тиристоров, осуществляющих выпрямление переменного тока;

· сглаживающего фильтра, обеспечивающего уменьшение пульсаций выпрямленного тока и напряжения;

· блок управления тиристорами (входит только в комплект управляемых выпрямителей).

В зависимости от числа фаз питающей сети различают однофазные и трехфазные выпрямители.

Однополупериодная однофазная схема выпрямления.В этой схеме (рис. 11.1) напряжение на вторичной обмотке трансформатора u₂ изменяется по синусоидальному закону. Ток во вторичной цепи трансформатора при наличии диода и нагрузки R_Н будет проходить только в течение первого полупериода действия переменного напряжения u₂, когда к диоду приложено прямое напряжение. В течение второго полупериода действия переменного напряжения u₂ тока в цепи нагрузки не будет, т.к. к диоду будет приложено обратное напряжение, и он будет заперт. Следовательно, ток в нагрузке i_н и напряжение на нагрузке i_н будут пульсирующими. Среднее за период значение напряжения на нагрузке U_d называется средним значением выпрямленного напряжения или выпрямленным напряжением. Аналогично, среднее за период значение тока называется выпрямленным током I_d. При однополупериодной схеме выпрямления U_d= 0,45U₂.

Двухполупериодная однофазная схема выпрямления с нулевым выводом.В этой схеме (рис. 11.2) имеется трансформатор и два диода. Нагрузка R_Н включается между средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора и катодами диодов.

При подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора на двух частях вторичной появляется синусоидальные напряжения u_2a0 и u_2b0.

В первый полупериод ток проходит через диод VD1, т.к. напряжение u_2a0 в это время для этого диода является прямым, а через диод VD2 ток не проходит, т.к. напряжение u_2b0 для этого диода в это время является обратным. Во второй полупериод, наоборот, ток проходит через диод VD2 и не проходит через диод VD1.

При этом ток в нагрузке оба полупериода протекает в одном направлении от катодов диодов к точке 0. Для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 0,9 U₂.

Двухполупериодная однофазная мостовая схема выпрямления.Эта схема (рис. 11.3) состоит из трансформатора и четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. К одной диагонали моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка R_Н. Диоды в схеме работают парами поочередно. В первый полупериод напряжения u₂ ток проводят диоды VD1 и VD3, а диоды VD2и VD4 закрыты, т.к. к ним приложено обратное напряжение. Во второй полупериод изменяется направление напряжения u₂и ток проводят диоды VD2 и VD4, а диоды VD1и VD3 закрыты. При этом ток в нагрузке проходит все время в одном направлении. Графики напряжения и тока нагрузки по форме аналогичны графикам двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой. Поэтому, для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения U_d= 0,9 U₂.

Трехфазная мостовая схема выпрямления.Эта схема включает (рис. 11.4) в себя трехфазный трансформатор и шесть диодов. Диоды соединены в две группы: катодную (диоды VD₂, VD₄, VD₆), образующую положительный полюс, и анодную (диоды VD₁, VD₃, VD₅), образующую отрицательный полюс для внешней цепи. В каждый момент работают два диода: один из катодной группы, а другой из анодной. В катодной группе в определенный момент работает тот диод, у которого наибольший потенциал на аноде. В анодной группе в данный момент работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов. Диоды катодной группы открываются в моменты, соответствующие точкам пересечения положительных участков синусоид (а, б, в, г на диаграмме), а диоды анодной группы – в моменты, соответствующие точкам пересечения отрицательных участков синусоид (к, л, м, н). Каждый диод работает в течение 1/3 Т. Положительные полуволны синусоид выпрямляются диодами катодной группы, а отрицательные полуволны – диодами анодной группы. Среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 2,34 U_2Ф, где U_2Ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Управляемые выпрямители.Основой управляемого выпрямителя являются тиристоры, трансформатор и система управления тиристорами. Схемы управляемых выпрямителей повторяют схемы обычных выпрямителей, но основным их преимуществом является возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Для регулирования изменяют момент открывания тиристоров.

Промежуток времени между моментом появления прямого напряжения на тиристоре и моментом подачи отпирающего импульса на его управляющий электрод называется углом регулирования α_р. Изменяя этот угол можно изменять среднюю величину выпрямленного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Конструкция выпрямителей.

2. Принцип работы однополупериодной однофазной схемы выпрямления.

3. Принцип работы двухполупериодной однофазной схемы выпрямления тока с нулевым выводом.

4. Принцип работы двухполупериодной однофазной мостовой схемы выпрямления тока.

5. Принцип работы трехфазной мостовой схемы выпрямления.

6. Понятие об управляемых выпрямителях.

Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно:

– оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i (t) на постоянную и переменную составляющие (рис. 11.5). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Конденсатор (обычно большой ёмкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов спрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки.

С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некие резервуары энергии. Они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.

Рассмотрим несколько подробнее ёмкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен конденсатор С (рис. 11.6).

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD1 конденсатор зарядится (рис. 11.7, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 11.7, б). Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном поправлении, конденсатор разряжается через нагрузку.

Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RС, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того, как конденсатор полностью разрядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся и выходное напряжение фактически повысится.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше постоянная времени НС. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденсатор обеспечивает погрузку током. Если нагрузка потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой ёмкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определяется величиной пульсаций, остающихся в постоянном напряжении. Величину пульсаций уменьшают используя конденсатор большей ёмкости или увеличивая сопротивление нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки определяется при расчете цепи. Следовательно, ёмкость фильтрующего конденсатора определяется допустимой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки и удерживает это значение в течение всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напряжение попадает на анод диода. Фильтрующий конденсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает максимальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдержать диод, будучи смещенным в обратном направлении, называется импульсным обратным напряжением диода. Импульсное обратное напряжение диода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вторичной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного напряжения. Это касается как однопол у пери одного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя. К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем максимальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода.

Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя. Следует отметить, что пиковое значение тока, протекающего через диод, может во много раз превышать ток нагрузки, что опасно для целостности диода. В реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен. Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LС-фильтры (рис. 11.8, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂, в нагрузку не проходят.

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 11.8, б), а при малых токах нагрузки и качество сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 11.8. в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 11.8, г, д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RС фильтров (рис. 11.8, е).

Контрольные вопросы

1. Почему непригодно пульсирующее напряжение?

2. Сущность работы сглаживающего фильтра.

3. Принцип работы двухполупериодного выпрямителя, когда параллельно нагрузке включен конденсатор.

4. Дайте определение импульсного обратного напряжения диода.

Тема 12. Усилители

Усилители низкой частоты.

Для увеличения амплитуды напряжения, силы тока, мощности электрических сигналов используют специальные устройства, называемые электронными усилителями. Усилитель осуществляет увеличение энергетических параметров управляющего сигнала за счет использования энергии источника питания. Различного вида усилители применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, устройствах радиотехники и автоматики, радиолокации, телевидении, технике радиоизмерений.

Усилители могут быть классифицированы по различным признакам: назначению, типу усилительных элементов, частотной полосе и т.п.

По типу применяемых усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, комбинированные, усилители на интегральных микросхемах.

По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) выделяют усилители постоянного тока, нижняя граница полосы пропускания которых равна нулю; усилители переменного тока; селективные (узкополосные) усилители, АЧХ которых имеет вид частотной характеристики избирательного полосового фильтра; апериодические (широкополосные, импульсные) усилители, полоса усиления которых соизмерима со значением центральной частоты пропускания.

По спектральному диапазону усиливаемого сигнала выделяют усилители звуковой (низкой) частоты (УЗЧ, УНЧ); усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) радиоприёмных устройств.

Кроме того, возможна классификация усилителей по мощности, режимам работы, выполнению специальных функций.

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным. К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному (пропорциональном усилении мгновенных значений входного сигнала).

Одной из основных характеристик усилителей с линейным режимом работы, как линейных четырёхполюсников, является комплексный коэффициент передачи по напряжению (току):

K_u(f) = = |K_u(f)| e^jφ_k^(f)

Величина Ku (f) является комплексной, т.е. характеризует изменение как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе.

Модуль коэффициента передачи усилителя K_u(f) называют коэффициентом усиления.

Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определённого для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой усилителя.

Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты φ_u(f) называется фазово-частотной характеристикой усилителя.

УНЧ являются элементом усилительного устройства, которое должно содержать также источник сигнала, нагрузку и источник питания (рис. 1).

Основное назначение УНЧ – усиливать мощность сигнала, т.е. при подаче на вход УНЧ электрического сигнала малой мощности получать на нагрузке сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления мощности УНЧ преобразует энергию источника питания с помощью усилительных приборов. В некоторых случаях УНЧ имеет и вспомогательное значение – осуществляет коррекцию формы сигнала.

Рис.1

Структурная схема УНЧ

По полосе усиливаемых частот (от нижней частоты диапазона до верхней) УНЧ делятся на усилители постоянного и переменного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) – усилители медленно изменяющихся напряжений или токов.

Усилители переменного тока усиливают только переменную составляющую тока в необходимой спектральной полосе.

Усилители звуковых частот – УНЧ, усиливающие сигналы в полосе частот, воспринимаемых ухом человека.

Для оценки УНЧ кроме коэффициента усиления, АЧХ и ФЧХ часто используются следующие электрические параметры:

Рабочий диапазон частот– интервал значений (от нижней частоты до верхней), в котором коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности.

Неравномерность частотной характеристики– наибольшее отклонение коэффициента усиления в заданном диапазоне частот от значения K₀, определённого для средней частоты.

Коэффициент частотных искажений Мхарактеризует неравномерность АЧХ. М– отношение коэффициента усиления в области средних частот K₀ к коэффициенту усиления на границе заданного диапазона частот. Различаются коэффициенты частотных искажений в области нижних частот и верхних частот.

Коэффициент нелинейных искаженийопределяет степень искажения входного синусоидального сигнала усилителем и оценивается как квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

К_н =

или близким к нему коэффициентом гармоник:

К_г ==

где U₁, U₂, U_n– действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе.

Номинальная выходная мощность– мощность, выделяемая УНЧ в нагрузке и заданная техническими требованиями.

Номинальное выходное напряжение – напряжение на нагрузке, соответствующее номинальной выходной мощности. Это напряжение связано с номинальным сопротивлением нагрузки Rнсоотношением

=

Номинальное входное напряжение – напряжение, подаваемое на вход УНЧ, при котором на выходе создается номинальная мощность.

Напряжение соответствует чувствительности УНЧ.

Входное сопротивлениеZвх– сопротивление для токов низкой частоты, измеренное между входными зажимами УНЧ. В области средних частот входное сопротивление обычно оказывается активным Rвх.

Выходное сопротивлениеZвых– сопротивление для токов низкой частоты, измеренное между выходными зажимами УНЧ (при условии, что источник сигнала включен, но его напряжение равно нулю). В области средних частот выходное сопротивление обычно оказывается активным Rвых.

Общая потребляемая мощностьP0 – мощность, потребляемая УНЧ от источников питания, при номинальной выходной мощности .

Номинальная выходная мощностьопределяет верхний предел выходной мощности, при котором все характеристики качества звучания по электрическому напряжению соответствуют нормам.

Фон– среднеквадратическая сумма спектральных составляющих выходного сигнала, возникающих в результате недостаточной фильтрации напряжения питания.

Основными элементами структурной схемы УНЧ (рис. 1) являются предварительный усилитель (ПУ) и усилитель мощности (УМ). К дополнительным элементам УНЧ относятся: цепи частотной коррекции и цепи обратной связи (ОС), кроме того в состав УНЧ часто включают регулятор усиления.

Усилитель мощности может содержать один или несколько каскадов усиления и предназначен для создания необходимой мощности в нагрузке.

Предварительный усилитель (или усилитель напряжения) служит для усиления слабого входного сигнала и создания необходимого уровня напряжения на входе усилителя мощности, он также может содержать один или несколько усилительных каскадов, причем часто в качестве входного каскада применяют эмиттерные (истоковые) повторители для лучшего согласования с источником сигнала.

Регулятор усиления в усилителях звуковой частоты используется в качестве регулятора громкости.

Цепи коррекции используются для изменения частотной характеристики УНЧ, в частности, к цепям частотной коррекции относится регулятор тембра.

Коррекция частотной характеристики УНЧ часто применяется для компенсации искажений АЧХ источника входного сигнала (например, звукоснимающей магнитной головки в магнитофонах) или АЧХ нагрузки (например, звуковых колонок).

Усилители мощности

Усилителем мощности обычно называют выходной каскад усилителя сигнала. Значительная часть мощности, потребляемой УНЧ от источников питания, рассеивается усилителем мощности. Когда отдаваемая в нагрузку мощность полезного сигнала становится соизмеримой с потребляемой усилителем мощностью, возникает вопрос экономии энергии источника питания, для этого, прежде всего, следует уменьшить мощность, выделяющуюся в схеме самого выходного каскада.

Можно выделить несколько основных режимов работы (классов) выходного каскада усилителя мощности.

Режим класса А. Рабочая точка (р.т.), определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала, выбирается на линейном участке динамической вольт–амперной (передаточной) характеристики (рис. 2, а). Амплитуда входного напряжения U_yна управляющем электроде активного элемента (базе транзистора) для минимизации нелинейных искажений выбирается меньше величины напряжения смещения. Выходной ток I_выхпротекает непрерывно в течение всего периода сигнала и достаточно точно воспроизводит форму входного переменного напряжения, а положение рабочей точки не выходит за пределы прямолинейного участка динамической характеристики.

Достоинством режима классаА являются малые нелинейные искажения, недостатками – низкий КПД (отношение отдаваемой мощности к потребляемой, в УНЧ не более 25%) и относительно малая мощность в нагрузке. Поэтому режим класса А применяется в маломощных (до 3…5 Вт) однотактных выходных каскадах. В режиме класса А работают и все каскады усиления напряжения.

Рис. 2

Выбор рабочей точки усилителя

Режим класса В.Рабочая точка выбирается в самом начале динамической вольт–амперной характеристики (рис. 2б), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток практически равен нулю и выделяемая в каскаде мощность мала. Однако в этом случае каскад способен усиливать только одну полуволну гармонического сигнала (сигналы только одной полярности). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода (в течение другой половины периода активный элемент находится в состоянии отсечки) и имеет форму импульсов. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке Rнусиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма.

Достоинства усилителя мощности, работающего в режиме классаВ, – высокий КПД (до 70%) и большая мощность сигнала в нагрузке, однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики. Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ.

Режим АВ. Рабочая точка занимает промежуточное положение на передаточной характеристике (между началом координат и серединой линейного участка). За счет сдвига рабочей точки из нуля в начало линейного участка на передаточной характеристике при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает некоторый начальный ток покоя. При этом выбором максимальной амплитуды входного напряжения можно добиться, чтобы активный элемент не переходил в состояние отсечки и усиливал (с разной степенью искажений) обе полуволны синусоидального сигнала. Режим АВ работы усилителя характеризуется достаточно высоким КПД при относительно небольших нелинейных искажениях формы выходного сигнала.

Режим С– это режим, при котором выходной ток протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т.к. рабочая точка располагается левее точки начала координат на переходной характеристике (отрицательное смещение). Ток покоя отсутствует, поэтому КПД режима С выше, чем режима В и достигает 80% и более. В режиме С использование двухтактной схемы не дает возможности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемой во входную цепь, поэтому такой режим не применяют для усиления сигналов произвольной формы. Этот режим широко используется в мощных избирательных (резонансных) усилителях, где нагрузкой является параллельный резонансный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

Режим D– это ключевой режим работы, при котором транзистор может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Достоинство режима D заключается в очень высоком (близком к 100%) КПД. Его недостаток – значительное усложнение схемы усилителя. Такой режим широко используется в цифровой технике, во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он находит широкое применение для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности.

Вариантов построения выходных каскадов усилителей мощности существует достаточно много. Выходные каскады бывают трансформаторными и бестрансформаторными. Применение согласующего трансформатора позволяет получить высокий КПД и малые нелинейные искажения.

Трансформаторные двухтактные выходные каскады чаще всего используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50%, бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном частот, меньшими размерами и массой. На рис. 3 приведены принципиальные схемы часто используемых в УНЧ усилителей мощности.

Схема однотактного усилительного каскада (усилителя напряжения) представлена на рис. 3, а. Положение рабочей точки задается резисторным делителем в цепи базы транзистора, такой усилитель работает режиме класса А.

На рис. 3, б представлена схема трансформаторного двухтактного выходного каскада, резисторный делитель обеспечивает необходимое смещение для работы в режиме АВ, согласующие трансформаторы обеспечивают оптимальное согласование входа усилителя с предварительным усилителем и выхода усилителя с нагрузкой. В данной схеме применены транзисторы одного типа (n–p–n).

Рис. 3

Выходные каскады усилителей мощности

Наиболее широкое распространение в выходных усилителях получили бестрансформаторные каскады (рис. 3, в) на транзисторах разного типа проводимости n–p–n и p–n–p, но со сходными характеристиками. Если питание такого усилителя осуществляется от однополярного источника, то неизбежно прохождение через нагрузку постоянной составляющей выходного тока, в этом случае нагрузку включают через разделительный конденсатор. Возможно использование в выходном каскаде транзисторов одного вида проводимости, но тогда предварительный усилитель должен содержать фазоинверсный каскад с двумя выходами – прямым и инверсным.

Под обратной связью (ОС) обычно понимают возвращение части энергии сигнала с выхода активного элемента (усилителя) на его вход или предшествующие цепи. Применение обратной связи может существенно изменить основные показатели усилителей сигналов.

Обратная связь может быть внутренней, связанной с физической природой усилительного прибора, паразитной, создаваемой за счет паразитных связей (ёмкостных или индуктивных) между цепями, и внешней, создаваемой преднамеренно. Обратная связь, охватывающая только один усилительный каскад, называется местной,а два и более каскада – общей.

Внутренними и паразитными обратными связями нельзя управлять, но они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении, например, приводят к самовозбуждению, поэтому предусматриваются специальные меры по их устранению (или ослаблению). Внешняя обратная связь легко управляема и её вводят для улучшения показателей усилителя:

– снижения искажений всех видов,

– уменьшения собственных помех,

– изменения входного и выходного сопротивлений и др.

Усилитель (усилительный каскад) и цепь ОС образуют замкнутое кольцо – петлю обратной связи. Если свойства цепи обратной связи не зависят от частоты, ОС называется частотнонезависимой, в противном случае – частотнозависимой. Существуют различные способы подключения цепи обратной связи к выходу и входу усилителя. Если цепь обратной связи присоединить к выходу схемы параллельно нагрузке, то сигнал обратной связи будет пропорционален напряжению на нагрузке; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению. Отношение напряжения связи к выходному напряжению усилителя называется коэффициентом передачи цепи обратной связи или коэффициентом обратной связиχ. Если цепь обратной связи присоединить к выходу устройства последовательно с нагрузкой, то сигнал обратной связи будет пропорционален току в нагрузке, и обратную связь называют обратной связью по току.

Рис. 4

Способы подключения обратной связи к входу усилителя

К входу усилительного устройства цепь обратной связи также может подключаться двумя способами: последовательно с источником сигнала (рис. 4, а) и параллельно ему (рис. 4, б). В этом случае обратную связь называют соответственно последовательной и параллельной.

Для того чтобы определить, какой является связь – по току или по напряжению, необходимо учитывать, что ОС по току исчезает при обрыве нагрузки, а ОС по напряжению – при коротком замыкании. Чтобы определить, является ли ОС последовательной или параллельной, необходимо учесть, что последовательная ОС исчезает при обрыве источника сигнала, параллельная ОС исчезает при коротком замыкании источника сигнала.

Из теории цепей с обратной связью известно выражение для результирующего коэффициента усиления напряжения

K = =

Обратную связь называют положительной(ПОС, χ > 0), если напряжение связи находится в фазе с напряжением сигнала, подводимого к входу усилителя. Если же напряжение обратной связи находится в противофазе с входным (χ < 0), обратную связь называют отрицательной (ООС). При сдвиге фаз между напряжением обратной связи и входным напряжением, отличающимся как от 0, так и от 180°, обратную связь называют комплексной.

Для количественной оценки ОС используется ряд показателей – петлевое усиление, глубина ОС, фаза петли ОС.

Петлевое усиление– усиление вдоль разомкнутой петли ОС |K| =|K₀ ∙ χ|.

Глубина ОСпоказывает, во сколько раз изменяется полное усиление при введении ОС. Фаза петли ОС– сумма фазовых сдвигов, вносимых усилителем (или усилительным каскадом) и цепью ОС. Величина фазы петли ОС определяет характер ОС. Глубина ООС связана с петлевым усилением соотношением: A =1 K ∙ χ.

В УНЧ в основном применяют отрицательную обратную связь по напряжению. При последовательной ООС по напряжению напряжение сигнала снимается с нагрузки R_ни через цепь обратной связи с коэффициентом передачи |χ| < 1 подается во входную цепь, где вычитается напряжение обратной связи U_OCиз входного напряжения U_вх. При параллельной ООС из входного тока вычитается ток обратной связи.

ООС приводит к уменьшению полного коэффициента усиления пропорционального глубине ОС. При достаточно глубокой ООС полный коэффициент усиления практически определяется только цепью ОС (обратно пропорционален χ). В связи с этим за счет ООС повышается стабильность коэффициента усиления: относительное изменение коэффициента усиления под влиянием соответствующего дестабилизирующего фактора снижается пропорционально глубине ООС. При увеличении глубины ООС пропорционально уменьшаются также нелинейные искажения и уровень фона и собственных шумов усилителя. При введении последовательной ООС по напряжению уменьшается коэффициент гармоник при условии, что ОС является отрицательной как для первой, так для высших гармоник сигнала.

Однако введением ООС нельзя сделать искажения меньшими, чем они были на входе усилителя.

ОС влияет на входное и выходное сопротивления усилителя, при этом последовательная ООС увеличивает сопротивление (входное или выходное), а параллельная — уменьшает. Степень влияния ООС на сопротивление (аналогично усилению) определяется глубиной ОС.

При введении частотнонезависимой ООС по напряжению расширяется АЧХ усилителя, стабилизируется выходное напряжение, и как следствие, уменьшается неравномерность АЧХ. При помощи частотнозависимой ООС можно придать АЧХ усилителя различную форму.

Устойчивость усилителя с ООС зависит от коэффициента усиления и коэффициента передачи цепи обратной связи, т.е. от глубины ООС. При глубокой ООС фазовые сдвиги на низших и высших рабочих частотах обуславливают появление ПОС, которая вызывает неустойчивость работы усилителя, а иногда и самовозбуждение. Из-за этого в усилителях с глубокой ООС необходимо расширять диапазон частот с линейной ФЧХ.

ООС по переменному току широко используется в УНЧ для улучшения качественных показателей как всего усилителя, так и отдельных его каскадов.

Для этого применяется как местная, так и общая ООС. В УНЧ используются преимущественно два вида общейООС по переменному току: последовательнаяООС по напряжению и параллельнаяООС по току. МестнаяООС по переменному току также бывает двух основных типов: параллельная и последовательная.

ПараллельнаяООС осуществляется с помощью сопротивления Rб, включенного между коллектором и базой транзистора (рис. 5, а, данная схема обеспечивает отрицательную обратную связь как по постоянному, так и по переменному току). Параллельная ООС по переменному току используется преимущественно для частотной коррекции – при необходимости снизить усиление в области верхних частот, при этом вместо резистора Rбвключают конденсатор Cб(рис. 6, а): глубина ООС с ростом частоты будет возрастать, следовательно, усиление верхних частот сигнала будет падать.

Последовательная ООСпо переменному току, так же как и по постоянному току, осуществляется с помощью сопротивления Rэвключенного в цепь эмиттера транзистора (рис. 5, б). В данной схеме можно разделить влияние ООС по постоянному току и ООС по переменному току, но в цепь ООС обязательно должно быть включено сопротивление Rэ, необходимое для прохождения постоянного тока эмиттера. Для разделения влияния этих ООС используют блокировочные конденсаторы (рис. 6, б, в). За счет ёмкости Cэпоследовательная ООС становится частотнозависимой – с ростом частоты входного сигнала уменьшается импеданс блокировочного конденсатора Cэи глубина ООС по переменному току уменьшается.

Рис. 6

Примеры реализации обратной связи по переменному току

Пример реализации общейООС по переменному току для двухкаскадного усилителя приведен на рис. 6г. Элементами цепи ООС, связывающей коллектор транзистора T₂ с эмиттером T₁, являются резисторы R_OCи R_Э1. Для устранения возникающей при таком включении ООС по постоянному току последовательно с резистором R_OCвключается конденсатор COC. Обычно ёмкость этого конденсатора выбирается большой, такой, чтобы даже для наиболее низкой частоты спектрального диапазона усиливаемого сигнала импеданс конденсатора был достаточно малым.

ООС по переменному току широко используется в каскадах как предварительных, так и мощных УНЧ для повышения входного сопротивления, стабильности коэффициента усиления и для коррекции АЧХ.

В УНЧ, охваченных ОС, предусматриваются специальные меры по повышению их устойчивости. Для этого ограничивается допустимая глубина ОС, а также применяется частотная коррекция – ограничивается усиление верхних частот вне рабочего диапазона. Для создания таких корректирующих цепей используется, в частности, частотнозависимая параллельная ОС (местная и общая). Для исключения паразитных ОС применяются рациональный монтаж (исключающий возникновение паразитных электрических или магнитных связей), экранировка и развязка каскадов усиления по цепям питания.

Использование положительной обратной связи в УНЧ позволяет повысить коэффициент усиления или получить отрицательное выходное сопротивление усилителя, что приводит к улучшению работы акустических систем.

Одновременно с ПОС необходимо обязательно применять ООС, иначе работа усилителя будет неустойчивой.

Каскады усиления напряжения звуковой частоты чаще всего выполняются на транзисторах, включённых по схеме с ОЭ, так как при этом получается наибольшее усиление сигнала. Рабочую точку усилительного каскада выбирают в каждом конкретном случае в зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель. Основными требованиями, предъявляемыми к каскаду, являются:

– максимальное усиление по напряжению;

– минимальные частотные и нелинейные искажения;

– высокая экономичность;

– температурная стабильность.

Одновременно выполнить все эти требования невозможно. Так, например, при большом усилении снижается устойчивость работы усилителя, который легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное функционирование. Увеличение температурной стабильности обязательно сопровождается снижением усиления и КПД.

Основным требованием, наиболее часто предъявляемым к предварительным усилителям напряжения, является требование минимальных нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала. В качестве предварительных усилителей напряжения часто используют каскад со схемой эмиттерной стабилизации (рис. 7, а) или дифференциальный усилитель (рис. 7, б).

Рис.7

Типичные схемы предварительных усилителей напряжения

Рассмотрим приближённую схему расчета параметров усилителя напряжения (рис. 7, а). Рабочая точка такого каскада выбирается в следующей последовательности:

· Для используемого в схеме транзистора по справочным данным определяют максимально допустимые значения коллекторного тока и напряжения и максимальную рассеиваемую мощность .

Например, широко распространенный транзистор КТ315Д имеет следующие параметры:

– максимальный ток коллектора = 100 мА;

– максимальное напряжение коллектор – эмиттер = 40 В;

– максимальная рассеиваемая мощность транзистора = 150 мВт;

– статический коэффициент усиления в схеме с ОЭ h_21Э= 50.

· на семействе выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора (рис. 8а) строится линия нагрузки БВ, исходя из следующих условий:

< 0.8 ∙ , (1)

U_п < 0.8∙ . (2)

Выполнение неравенства (1) необходимо потому, что коллекторный ток насыщенного транзистора должен быть меньше максимального допустимого тока . Коэффициент 0,8 гарантирует выполнение этого неравенства при разбросе сопротивления резистора R_kи нестабильности питания U_п.

Выполнение неравенства (2) обеспечивает надёжную работу транзистора в режиме отсечки или при обрыве цепи базовых резисторов, когда напряжение на коллекторе транзистора поднимается почти до U_п.

· Р.т. каскада в режиме класса А выбирается в средней части рабочего участка линии нагрузки БВ и характеризуется тремя параметрами: токами покоя , , напряжением . Затем она переносится на входную ВАХ транзистора, снятую при U_КЭ= , и по найденному значению определяется напряжение (рис. 8б). Изменение положения р.т. обеспечивается изменением сопротивления резистора R_б1.

Рис. 8

К расчету параметров усилителя напряжения

В инженерных расчетах параметры , , , а через них значения резисторов можно оценить по приближенным формулам, если принять следующие допущения:

– амплитуда входного сигнала настолько мала, что рабочая точка всегда находится на линейном участке динамической характеристики транзистора;

– ёмкость конденсатора Cэнастолько велика, что его сопротивлением переменному току на наименьшей частоте усиливаемого сигнала можно пренебречь (т.е. считать, что переменное напряжение на эмиттере транзистора равно нулю);

– линейный участок динамической характеристики расположен симметрично относительно нуля и напряжения питания, что обеспечивает возможность приблизительно одинакового изменения коллекторного тока в сторону уменьшения и сторону увеличения.

Таким образом, можно выбрать начальное напряжение на коллекторе транзистора в отсутствии сигнала при работе усилителя в режиме класса А равным половине напряжения источника питания = 0.5 ∙ U_п.

Как уже отмечалось, начальный ток коллектора и начальный ток базы выбирают по ВАХ транзистора, однако можно поступить иначе: выбрать начальный ток коллектора, который обеспечивает рассеиваемую транзистором мощность заведомо меньшую максимальной . Для большинства маломощных транзисторов приемлемым можно считать начальный ток коллектора 0.1…1 мА.

Тогда сопротивление коллекторного резистора определяется:

R_{K = =}

Сопротивление в цепи эмиттера R_Эобычно выбирается так, чтобы выполнялось соотношение ≈ 0.1 U_п, т.е. ( I_K≈ I_Э)

R_{Э =}

Величина сопротивления R_б2 определяется как

R_б2 = ,

где – напряжение базы, которое определяется значением по ВАХ транзистора, I_d– ток делителя, можно выбрать I_d≈10∙ .

Величина сопротивления R_б1 определяется как

R_{б1 =}

Если схема усилителя допускает подстройку сопротивления хотя бы одного резистора (обычно резистор R_б1 разбивается на два – постоянный и подстроечный), для инженерных расчетов бывает достаточно точности более простых выражений, определяемых следующими условиями без привлечения ВАХ транзистора.

Поскольку для нормальной работы транзистора (в режиме класса А) эмиттерный переход должен поддерживаться в открытом состоянии, т.е. напряжение на базе на 0.6 В (для кремниевых транзисторов) должно быть выше напряжения на эмиттере: U_Б= U_Э 0.6В.

Кроме того, для обеспечения стабильности постоянного смещения на базе транзистора ток делителя I_dдолжен значительно превышать ток базы (примерно в 5…10 раз).

Базовый ток можно оценить как ≈ /h_21Э (где h_21Э– коэффициент усиления транзистора в схеме с ОЭ, приводится в справочной литературе).

Таким образом, ток делителя можно выбрать I_d ≈ 10∙=

и, если пренебречь базовым током, значения сопротивлений делителя R_б1 и R_б2 определяются из соотношений:

I_d = ; U_Б = I_d ∙ R_б2.

Выбор значений ёмкостей конденсаторов зависит от требований, предъявляемых к частотным характеристикам усилителя, в частности к нижней граничной частоте f_nусиливаемого сигнала:

C_Э >>; C_{б > ;} C_к > ,

где R_вх– входное сопротивление усилителя, R_вых– выходное сопротивление, R_н– сопротивление нагрузки. Обычные значения ёмкостей конденсаторов C_Э– 10…100 мкФ, C_би C_к– 0.05…50 мкФ.

Входное и выходное сопротивления усилителя (переменному току) можно оценить следующим образом. Напряжение входного сигнала U_вхпоступает через разделительный конденсатор C_бна базу транзистора и вызывает протекание тока через резисторы R_б1, R_б2 базового делителя и в цепи базы транзистора и изменяет ток коллектора на ∆I_Kи напряжение на коллекторе на ∆U_КЭ= ∆I_K∙ R_k. Входным сопротивлением каскада являются параллельно включенные резисторы базового делителя (R_б1 || R_б2) и входное сопротивление транзистора

h_11Э(h_11Э≈ h_21Э∙ (25мВ/ I_K[мA]) ~ 1 кОм).

R_вх= R_б1 || R_б2 || h_11Э.

Обычно сопротивление резисторов R_б1 и R_б2 значительно больше входного сопротивления h_11Этранзистора, поэтому выражение для R_вхможно упростить: R_вх= h_11Э.

Следует отметить, что входное сопротивление переменному току отличается от входного сопротивления постоянному току, т.к. мы использовали допущение, что из-за наличия конденсатора C_Эотрицательная обратная связь по переменному току отсутствует (переменное напряжение на эмиттере транзистора равно нулю). Наличие ООС по постоянному току приводит к тому, что входное сопротивление постоянному току будет определяться величиной (R_б1 || R_б2), поскольку входное сопротивление транзистора в данном случае определяется как h_21Э∙ R_Эи обычно имеет большую величину. В любом случае, лучше выбирать R_б1 || R_б2 << h_21Э∙ R_Э.

Для переменного тока можно считать, что входной ток практически весь поступает в базу транзистора

I_вх = ≈ I_Б,

следовательно, переменная составляющая тока коллектора

= h_21Э ∙ I_Б = ,

а напряжение на коллекторе, представляющее собой выходное напряжение,

= = ∙ R_K = ∙.

Выходное сопротивление каскада определяется параллельным соединением резистора R_kи выходного сопротивления транзистора 1/h_22Э.

R_вых= R_k|| (1/h_22Э),

где h_22Э– выходная проводимость транзистора в схеме с ОЭ (~50 См).

Коэффициент усиления по напряжению определяется как

K_U = =

Этот параметр усилителя зависит от частоты и амплитуды усиливаемого сигнала. Это объясняется тем, что с понижением частоты падение напряжения на конденсаторах C_би C_kпод действием входного и выходного токов каскада увеличивается и представляет собой потери напряжения сигнала, а конденсатор C_Эвсе меньше шунтирует резистор R_Э, что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзистора и глубину отрицательной обратной связи по переменному току, следовательно, уменьшает коэффициент K_U.

При повышении частоты сигнала необходимо учитывать влияние входной и выходной (паразитных) ёмкостей транзистора, шунтирующих входное и выходное сопротивления каскада, что проявляется уменьшением полезного тока, поступающего на его вход и в нагрузку.

В двухтактных каскадах усилителей мощности используют все три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ и ОК.

В качестве выходного каскада УНЧ рассмотрим широко распространённую классическую схему двухтактного бестрансформаторного каскада усиления мощности на транзисторах разного типа проводимости (рис. 4, в). Для управления транзисторами разных типов проводимости требуется один сигнал, т.к. при увеличении входного напряжения ток базы одного из транзисторов увеличивается, а другого уменьшается и наоборот. Как уже отмечалось, ток через каждый транзистор двухтактной схемы протекает лишь в течение половины периода, положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, отрицательные – другим, а в нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма. Однако данному усилителю мощности, работающему в режиме класса В, свойственны характерные искажения сигнала. Поскольку по отношению к нагрузке каждый транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя (схема с ОК), то напряжение на выходе (эмиттере транзистора) будет отличаться от напряжение на базе на величину прямого падения напряжения на открытом p–n (база–эмиттер) переходе U_Э = U_Б – 0,6В, а при величине напряжения на базе меньшем 0.6Втранзистор перейдет в режим отсечки. При сложении токов каждого из транзисторов в нагрузке будут наблюдаться характерные переходные искажения сигнала (рис. 9, а), часто называемые как искажения типа «ступенька».

Рис. 9

Переходные искажения сигнала типа «ступенька»

Устранить подобные искажения формы сигнала можно либо применением глубокой ООС, либо немного сместив транзисторы двухтактного каскада в состояние проводимости, т.е. перевести усилитель в режим класса АВ (рис. 9, б).

Типичные примеры реализации смещения транзисторов двухтактного каскада в состояние проводимости приведены на рис. 10.

Рис. 10

Примеры реализации смещения транзисторов двухтактного каскада УМ

Резисторы смещения (рис. 10, а) переводят диоды в состояние проводимости, благодаря этому напряжение на базе транзистора T₁ превышает входное напряжение на величину падения напряжения на диоде, а напряжение на базе транзистора T₂ на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. Благодаря такому смещению при переходе входного сигнала через нуль один из транзисторов всегда открыт и, тем самым в значительной степени устраняются переходные искажения. Сопротивление резисторовRвыбирается так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток выходных транзисторов при пиковых значениях входного сигнала.

Схема, приведенная на рис. 10, б, является более распространённой благодаря повышенной температурной стабильности. В данной схеме входной сигнал снимается с коллектора транзистора T₁ предшествующего каскада.

Резистор Rвыполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора T₁ и формирует ток для смещения диодов в состояние проводимости в основной двухтактной схеме. Для улучшения температурной стабильности в цепи эмиттеров транзисторов T₂ и T₃ иногда включают дополнительные резисторы сопротивлением менее 1 Ом, небольшое падение напряжения (доли вольта) на которых обеспечивает слабую ООС. Для хорошей компенсации переходных искажений падение напряжения между базами выходных транзисторов должно быть немного больше удвоенного падения напряжения на диоде, поэтому часто в схему добавляют третий диод или регулируемый резистор с небольшим сопротивлением.

Если выходной каскад по схеме рис. 10, б используется при однополярном питании, напряжение покоя (напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов T₂ и T₃ при отсутствии входного сигнала) необходимо установить равным половине напряжения источника питания, чего добиваются настройкой параметров каскада предварительного усиления на транзисторе T₁, а нагрузку подключают через разделительный конденсатор достаточно большой (обычно сотни мкФ) ёмкости.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия электронного усилителя.

2. Назначение элементов, входящих в функциональную схему усилителя, основные параметры и характеристики усилителя.

3. Как обратная связь влияет на параметры и характеристики усилителя?

4. АЧХ и ФЧХ усилителя низкой частоты, полоса пропускания усилителя.

5. В чём основное отличие при организации ООС схем на рис. 6, б и рис. 6, в?

6. Что происходит с рабочей точкой при увеличении сопротивления резистора R_б1 или R_б2 в усилителе напряжения (рис. 7, а)?

7. Какую форму будет иметь выходной сигнал при отключении резистора R_б1 (R_б2), если на вход подан синусоидальный сигнал?

8. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних (верхних) частот сигнала?

9. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных сигналов в усилителях напряжения и усилителях мощности?

10. Как изменится усиление каскада, если исключить из него конденсатор C_Э(рис. 7а)?

11. От каких элементов схемы и как зависят параметры усилителя? Объясните функциональное назначение каждого элемента схемы (рис. 7, а).

12. Как с помощью ООС можно ограничить АЧХ усилителя в области высоких частот?

13. Особенности режимов работы усилителей мощности, их основные достоинства и недостатки.

14. Как осуществляется температурная стабилизация в выходном каскаде двухтактного усилителя мощности?

15. Рассчитайте номиналы всех элементов схемы усилителя (рис.7, а), если используется транзистор КТ315Д, заданы ток покоя коллектора 1 мА и напряжение питания 10 В.

16. Оцените значение сопротивления R (рис. 10, а) 10–ваттного усилителя мощности, если выбрано напряжение питания ± 20В и сопротивление нагрузки 8 Ом.

Тема 13. Основы импульсной техники и радиотехники

Колебательные контуры (открытый, закрытый); их назначение, параметры. Последовательный, параллельный контуры; их схемы, назначение. Условия резонанса токов и напряжений. Настройка в резонанс. Сопротивление каждого контура при резонансе и настройке.

Связанные контуры. Виды, коэффициент, степени связи. Сопротивление контуров. Практическое применение связанных контуров.

Классификация генераторов. Назначение, основные схемы, физические основы работы генераторов гармонических колебаний с независимым возбуждением, автогенераторов (RC, LC-генераторов).

Требования к стабилизации частоты генераторов и способы её достижения.

Получение и распространение электромагнитных волн. Понятие об амплитудной модуляции и демодуляции.

Как известно, простейшими резонансными (или колебательными) цепями являются последовательный и параллельный колебательные контуры. Рассмотрим цепь, состоящую из последовательно включенных катушки индуктивности и конденсатора (рис. 1). При воздействии на такую цепь переменного (в простейшем случае гармонического) напряжения, через катушку и конденсатор будет протекать переменный ток, величина (амплитуда) которого может быть вычислена согласно закону Ома:

I = U/|Х_Σ|,

где |Х_Σ| – модуль суммы реактивных сопротивлений последовательно включенных катушки и конденсатора.

На рис. 2 приведены зависимости реактивных сопротивлений катушки X_L и конденсатора Х_C от круговой частоты ω, а также график зависимости от частоты ω их алгебраической суммы Х_Σ. Последний график, по сути, показывает зависимость от частоты общего реактивного сопротивления цепи, изображенной на рис. 1. Из этого графика видно, что на некоторой частоте ω=ω_р, на которой реактивные сопротивления катушки и конденсатора равны по модулю, общее сопротивление цепи обращается в ноль. На этой частоте в цепи наблюдается максимум тока, который ограничен только омическими потерями в катушке индуктивности (т.е. сопротивлением провода обмотки катушки) и внутренним сопротивлением источника тока (генератора).

Такую частоту, при которой наблюдается рассмотренное явление, называемое в физике резонансом, называют резонансной частотой или собственной частотой колебаний цепи, а саму цепь, изображенную на рис. 1, принято называть последовательным колебательным контуром. Также из рис. 2 видно, что на частотах ниже частоты резонанса реактивное сопротивление последовательного колебательного контура носит емкостной характер, а на более высоких частотах – индуктивный. Что касается самой резонансной частоты, то она может быть вычислена при помощи известной формулы Томсона: ω_р = 1/√(LC).

Рис. 1
Последовательный колебательный контур

Рис. 2
Зависимости реактивных сопротивлений катушки X_L и конденсатора Х_C от круговой частоты ω

На рис.3 изображена эквивалентная схема последовательного резонансного контура с учетом омических потерь r, подключенного к идеальному генератору гармонического напряжения с амплитудой U. Модуль полного сопротивления (импеданса) такой цепи определяется следующим образом:

|z| = √(r² |X_Σ|²),

где |X_Σ| = ωL-1/ωC.

Очевидно, что на резонансной частоте, когда величины реактивных сопротивлений катушки X_L = jωL и конденсатора Х_C= -j/ωС равны по модулю, величина |X_Σ| обращается в нуль (следовательно, сопротивление цепи чисто активное), а ток в цепи определятся отношением амплитуды напряжения генератора к сопротивлению омических потерь: I= U/r. При этом на катушке и на конденсаторе, в которых запасена реактивная электрическая энергия, падает одинаковое напряжение U_L=U_C=I|X_L|=I|X_C|.

На любой другой частоте, отличной от резонансной, напряжения на катушке и конденсаторе неодинаковы – они определяются амплитудой тока в цепи и величинами модулей реактивных сопротивлений |X_L| и |X_C|. Поэтому резонанс в последовательном колебательном контуре принято называть резонансом напряжений. С учетом приведенной записи для импеданса цепи можно привести часто встречающееся определение резонансной частоты: резонансной частотой контура называют такую частоту, на которой сопротивление контура имеет чисто активный (резистивный) характер.

Рис. 3
Эквивалентная схема последовательного резонансного контура

Одними из наиболее важных параметров колебательного контура (кроме, разумеется, резонансной частоты) являются его характеристическое сопротивление ρ и добротность Q. Характеристическим сопротивлением контура ρ называется величина модуля реактивного сопротивления емкости и индуктивности контура на резонансной частоте:

ρ = |Х_L| =|Х_C|, при ω =ω_р.

В общем случае характеристическое сопротивление может быть вычислено следующим образом: ρ = √(LC). Характеристическое сопротивление ρ является количественной мерой оценки энергии, запасенной реактивными элементами контура – катушкой (энергия магнитного поля) W_L= (LI²)/2 и конденсатором (энергия электрического поля) W_C=(CU²)/2. Отношение энергии, запасенной реактивными элементами контура, к энергии омических (резистивных) потерь за период принято называть добротностью Q контура, что в буквальном переводе с английского языка обозначает “качество”. Величину, обратную добротности d=1/Q называют затуханием контура. Для определения добротности обычно пользуются формулой Q=ρ/r, где r -сопротивление омических потерь контура, характеризующее мощность резистивных (активных потерь) контура Р=I²r. Добротность реальных колебательных контуров, выполненных на дискретных катушках индуктивности и конденсаторах, составляет от нескольких единиц до сотни и более.

Рис. 4 а Рис. 4

Добротность различных колебательных систем, построенных на принципе пьезоэлектрических и других эффектов (например, кварцевые резонаторы) может достигать нескольких тысяч и более.

б

Частотные свойства различных цепей в технике принято оценивать с помощью амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). На рис. 4а и рис. 4б представлены два простейших четырехполюсника, содержащих последовательный колебательный контур. АЧХ этих цепей приведены (показаны сплошными линями) на рис. 5а и рис. 5б соответственно. По вертикальной оси отложена величина коэффициента передачи цепи по напряжению К, показывающая отношение выходного напряжения цепи к входному. Для пассивных цепей (не т.е. содержащих усилительных элементов и источников энергии), величина К никогда не превышает единицу. Очевидно, что сопротивление цепи на рис. 4а переменному току будет минимально при частоте воздействия, равной резонансной частоте контура. В этом случае коэффициент передачи цепи близок к единице (определяется омическими потерями в контуре).

На частотах, сильно отличающихся от резонансной, сопротивление контура переменному току достаточно велико, а, следовательно, и коэффициент передачи цепи будет падать практически до нуля. При резонансе в цепи, изображенной на рис. 4б, источник входного сигнала оказывается фактически замкнутым накоротко малым сопротивлением контура, благодаря чему коэффициент передачи такой цепи на резонансной частоте падает практически до нуля (опять-таки в силу наличия конечного сопротивления потерь).

Наоборот, при частотах входного воздействия, значительно отстоящих от резонансной, коэффициент передачи цепи оказывается близким к единице. Свойство колебательного контура в значительной степени изменять коэффициент передачи на частотах, близких к резонансной, широко используется на практике, когда требуется выделить сигнал с конкретной частотой из множества ненужных сигналов, расположенных на других частотах. Так, в любом радиоприемнике при помощи колебательных цепей обеспечивается настройка на частоту нужной радиостанции. Свойство колебательного контура выделять из множества частот одну принято называть селективностью или избирательностью. При этом интенсивность изменения коэффициента передачи цепи при отстройке частоты воздействия от резонанса принято оценивать при помощи параметра, называемого полосой пропускания. Чаще всего за полосу пропускания принимается диапазон частот, в пределах которого уменьшение (или увеличение – в зависимости от вида цепи) коэффициента передачи относительного его значения на резонансной частоте, не превышает величины 0,707 (3дБ).

Пунктирными линиями на рис. 5а и рис. 5б показаны АЧХ точно таких же цепей, как на рис. 4а и рис. 4б соответственно, колебательные контуры которых имеют такие же резонансные частоты, как и для случая, рассмотренного выше, но обладающие меньшей добротностью (например, катушка индуктивности намотана проводом, обладающим большим сопротивлением постоянному току). Как видно из рис. 5а и рис. 5б, при этом расширяется полоса пропускания цепи и ухудшаются ее селективные (избирательные) свойства. Исходя из этого, при расчете и конструировании колебательных контуров нужно стремиться к повышению их добротности. Однако, в ряде случаев, добротность контура, наоборот, приходится занижать (например, включая последовательно с катушкой индуктивности резистор небольшой величины сопротивления), что позволяет избежать искажений широкополосных сигналов. Хотя, если на практике требуется выделить достаточно широкополосный сигнал, селективные цепи, как правило, строятся не на одиночных колебательных контурах, а на более сложных связанных (многоконтурных) колебательных системах, в т. ч. многозвенных фильтрах.

В различных радиотехнических устройствах наряду с последовательными колебательными контурами часто (даже чаще, чем последовательные) применяют параллельные колебательные контуры.

На рис. 6 приведена принципиальная схема параллельного колебательного контура. Здесь параллельно включены два реактивных элемента с разным характером реактивности. Как известно, при параллельном включении элементов складывать их сопротивления нельзя – можно лишь складывать проводимости.

На рис. 7 приведены графические зависимости реактивных проводимостей катушки индуктивности B_L = j/ωL, конденсатора В_C = -jωC, а также суммарной проводимости В_Σ, этих двух элементов, являющаяся реактивной проводимостью параллельного колебательного контура. Аналогично, как и для последовательного колебательного контура, имеется некоторая частота, называемая резонансной, на которой реактивные сопротивления (а значит и проводимости) катушки и конденсатора одинаковы. На этой частоте суммарная проводимость параллельного колебательного контура без потерь обращается в нуль. Это значит, что на этой частоте колебательный контур обладает бесконечно большим сопротивлением переменному току. Действительно, если построить зависимость реактивного сопротивления контура от частоты X_Σ=1/B_Σ, эта кривая (рис. 8) в точке ω = ω_р будет иметь разрыв второго рода. Сопротивление реального параллельного колебательного контура (т. е. с потерями), разумеется, не равно бесконечности – оно тем меньше, чем больше омическое сопротивление потерь в контуре, т.е. уменьшается прямо пропорционально уменьшению добротности контура. В целом, физический смысл понятий добротности, характеристического сопротивления и резонансной частоты колебательного контура, а также их расчетные формулы, справедливы как для последовательного, так и для параллельного колебательного контура.

Рис. 6
Параллельный колебательный контур

Рис. 7

Зависимости реактивных проводимостей катушки и конденсатора и суммарная проводимость этих двух элементов

Рис. 8
Зависимость реактивного сопротивления контура от частоты

Рассмотрим цепь, состоящую из генератора гармонических колебаний и параллельного колебательного контура. В случае, когда частота колебаний генератора совпадает с резонансной частотой контура его индуктивная и емкостная ветви оказывают равное сопротивление переменному току, в следствие чего токи в ветвях контура будут одинаковыми. В этом случае говорят, что в цепи имеет место резонанс токов. Как и в случае последовательного колебательного контура, реактивности катушки и конденсатора компенсируют друг друга, и сопротивление контура протекающему через него току становится чисто активным (резистивным). Величина этого сопротивления, часто называемого в технике эквивалентным, определяется произведением добротности контура на его характеристическое сопротивление R_экв=Q·ρ.

На частотах, отличных от резонансной, сопротивление контура уменьшается и приобретает реактивный характер (рис. 8) на более низких частотах – индуктивный (поскольку реактивное сопротивление индуктивности падает при уменьшении частоты), а на более высоких – наоборот, ёмкостной (т. к. реактивное сопротивление ёмкости падает с ростом частоты). В процессе работы контура, дважды за период колебаний, происходит энергетический обмен между катушкой и конденсатором (рис. 9). Энергия поочередно накапливается то в виде энергии электрического поля заряженного конденсатора, то в виде энергии магнитного поля катушки индуктивности. При этом в контуре протекает собственный контурный ток I_к, превосходящий по величине ток во внешней цепи I в Q раз. В случае идеального контура (без потерь), добротность которого теоретически бесконечна, величина контурного тока также будет бесконечно большой.

Рис. 9

Процесс работы контура

Рассмотрим, как изменяются коэффициенты передачи четырехполюсников, аналогичных приведенным на рис. 4.а и рис. 4.б, от частоты, при включении в них не последовательных колебательных контуров, а параллельных.

Четырехполюсник, изображенный на рис. 10.а, на резонансной частоте контура представляет собой огромное сопротивление току, поэтому при ω=ω_р его коэффициент передачи будет близок к нулю (с учетом омических потерь).

На частотах, отличных от резонансной, сопротивление контура будет уменьшатся, а коэффициент передачи четырехполюсника – возрастать. Этот случай соответствует графику АЧХ, приведенному на рассмотренном ранее рис. 5.б.

Для четырехполюсника, приведенного на рис. 10.б, ситуация будет противоположной – на резонансной частоте контур будет представлять собой очень большое сопротивление и практически все входное напряжение поступит на выходные клеммы (т.е. коэффициент передачи будет максимален и близок к единице). При значительном отличии частоты входного воздействия от резонансной частоты контура, источник сигнала, подключаемый к входным клеммам четырехполюсника, окажется практически закороченном накоротко, а коэффициент передачи будет близок к нулю. АЧХ такого четырехполюсника соответствует изображенной на рис. 5.а.

Достаточно часто в реальной радиоэлектронной аппаратуре приходится сталкиваться с необходимостью перестройки колебательных контуров – например, в приемнике, для обеспечения возможности приема радиостанций, работающих на разных частотах В этом случае емкостные элементы контуров выполняются в виде конденсаторов переменной емкости, либо специальных диодов – варикапов, обладающих большой барьерной емкостью, зависящей от приложенного к ней запирающего напряжения. В ряде случаев применяют и перестраиваемый катушки индуктивности – вариометры.

При включении питания (рис. 10.2) транзистор VT2находится в открытом состояния. На его эмиттере существует напряжение, равное напряжению источника питания. Положительный перепад напряжения проходит через конденсатор Сна затвор полевого транзистора VT3. Полевой транзистор закрыт. Начинается процесс заряда конденсатора через резистор R3. Через некоторое время напряжение на конденсаторе станет таким, что полевой транзистор начнет открываться. Это вызовет открывание транзистора VТ1, который, в свою очередь, закроет транзистор VT2. Конденсатор Сначнет разряжаться через резистор R4 и открытые n-рпереходы транзистора VTJи полевого транзистора.

Время заряда емкости определяется выражением t₃=0,7 CR_S, а время разряда t_р=0,7 CRz. Эпюры напряжений в точках схемы показаны на рис. 10.2.

Для получения максимально возможного значения t, необходимо сопротивление резистора R3выбирать большим. Поскольку ток затвора полевого транзистора меньше 10~⁸ А, то R3может принимать значения десятков мегаом. Элементы с номиналами, указанными на схеме, позволяют получить период следования импульсов 1,4 с. Температурный дрейф составляет 0,6%/град.

Мостовой генератор. Генератор (рис. 10.3, с) имеет два выхода, где формируются сигналы различной полярности. В коллекторе транзистора VT1формируется импульс отрицательной полярности, а в коллекторе транзистора VT2— положительной. После вклю­чения питания оба транзистора находятся в закрытом состоянии. Начинается процесс заряда конденсаторов. Конденсатор С1заряжается через резистор R1, а конденсатор С2 — через рези­стор R4. На базе транзистора VT1увеличивается положительный потенциал. В то же время положительный потенциал базы транзистора VT2уменьшается. Через время T₁ = 0,7 C₁R₁ потенциалы на базах транзисторов сравняются. С этого момента оба транзистора начинают проводить. С открыванием транзистора VT1конденсатор С2начнет разряжаться через базовую цепь транзистора VT2.

В это же время конденсатор С1 будет разряжаться через базовую цепь транзистора VT1. Оба транзистора окажутся в режиме насыщения. Напряжение на коллекторе транзистора VT1 изменится с 15 до 7,5 В, а на коллекторе транзистора VT2 — от 0 до 7,5 В. В этом состоянии транзисторы будут находиться до тех пор, пока базовые токи способны обеспечить коллекторный ток 5 мА. По достижении этого граничного условия оба транзистора перейдут в активную область. Изменение напряжения в коллекторах транзисторов приве­дет к дальнейшему уменьшению коллекторного тока и в конечном счете к полному закрыванию. Начнется новый цикл работы генератора. Время разряда конденсаторов определяется длительностью импульса 2 мкс. Период следования импульсов равен 70 мкс На рис. 10.3,6 приведены эпюры напряжений в точках схемы.

Рис. 10.3 Рис. 10.4

Рис. 10.5

Последовательная схема генератора. При включении питания схемы (рис. 10.4) транзистор VT1будет открыт напряжением делителя R1и R2. Следом откроется транзистор VT2. Напряжение на его коллекторе равно напряжению питания. Начинается процесс заряда конденсатора. Основной цепью заряда будет резистор R4. Напряжение на конденсаторе увеличивается до 6 В. После этого следует закрывание транзистора VT1, азатем и транзистора VT2. Плюсовое напряжение на конденсаторе будет уменьшаться через резистор R6. Наступит момент, когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением в базе транзистора VT1. С этого момента транзисторы VT1и VT2открываются. Начинается новый цикл работы генератора Длительность импульса определяется постоянной времени RiCi, а интервал между импульсами – постоянной времени R₈Ci. При указанных на схеме номиналах импульсы выход­ного сигнала имеют период следования 2 кГц.

Высокочастотный генератор.Преобразователь постоянного на­пряжения в частоту (рис. 10.5, а) построен на одном транзисторе, который работает в лавинном режиме. В этом режиме транзистор имеет S-образную вольт-амперную характеристику. Входное напряжение может меняться до 10 В с девиацией частоты выходного сигнала 40 – 50% от максимальной частоты 35 МГц. Крутизна преобразования 10 МГц/В.

В исходном состоянии, когда управляющее напряжение равно нулю, конденсатор разряжается через резистор R4. Как только напряжение на конденсаторе спадет до уровня включения транзистора, конденсатор через открытый транзистор быстро заряжается. Затем процесс повторяется. Напряжение на конденсаторе имеет пилообразную форму. На выходе генератора формируются импульсы с амплитудой 5 В, длительностью десятки наносекунд и временем нарастания до 4 не. Пропорциональность изменения частоты выходного сигнала от управляющего напряжения достигается подбором сопротивления резистора R2. Для R2=0,5 кОм нелинейность составляет 0,8%, а для R2 = 2 кОм – 0,4%.

Применяемые в схеме транзисторы типа ГТ313А имеют малое напряжение пробоя эмиттерного перехода. Чтобы не произошло открывания эмиттерного перехода напряжением на конденсаторе, в цепь включен диод VD1. Для устранения пробоя эмиттерного перехода можно применить следящую ОС, осуществляемую при помощи транзистора VT2(рис. 105,6). Кроме того, этот транзистор позволяет повысить нагрузочную способность схемы, если сигнал снимать с эмиттера, и обеспечивает более высокую стабильность частоты.

Рис. 10.6 Рис. 10.7

Формирователь сигнала с большой скважностью. После вклю­чения питания (рис. 10.6) конденсатор заряжается через резисторы R1и R3. Транзистор VT2закрыт напряжением с делителя R2и R5. В закрытом состоянии находится также транзистор VT1. По мере заряда конденсатора напряжение в эмиттере увеличивается. Через некоторое время напряжение на конденсаторе превысит напряжение на базе. Транзистор VT2откроется. Коллекторный ток этого транзистора откроет транзистор VT1. Конденсатор начнет разряжаться через транзистор VT2, резистор R4и переход база — эмиттер транзистора VT1. Напряжение на конденсаторе падает практически до нуля. Наступает момент, когда транзистор VT2выходит из насыщения. Начинает закрываться транзистор VT1. Коллекторное напряжение его через делитель напряжения R2и R5еще больше закрывает транзистор VT2. Возникает лавинообразный процесс, и оба транзистора закрываются. Конденсатор вновь начинает заряжаться.

Для указанных в схеме номиналов элементов период следования выходных импульсов равен приблизительно 2 с, а длительность импульса 2 мкс.

Низкочастотный генератор. Генератор (рис. 10.7) позволяет по­лучить на выходе сигналы с частотой повторения от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Это достигается непосредствен­ной связью между транзисторами разной проводимости. При вклю­чении питания транзистор VT2открывается и его коллекторный ток открывает транзистор VT1. В цепи коллектора транзистора VT1устанавливается напряжение, равное напряжению питания. Поло­жительный перепад напряжения пройдет в базу транзистора VT1и еще больше откроет его. Конденсатор С будет заряжаться через базовую цепь транзистора VT1. После того как конденсатор зарядится, транзистор VT2начинает выходить из насыщения. В этой связи уменьшится и ток коллектора транзистора VT1. Конденсатор начинает разряжаться. Цепь разряда состоит из резисторов R1и R2. В базе транзистора VT2формируется отрицательный импульс, который закроет его. Время разряда конденсатора определяет период следования импульсов T = R1C. Для номиналов элементов, указанных на схеме, длительность импульса равна 5 мс, период следования импульсов 1 с.

Рис. 10.8. Генератор сигнала с управляемым периодом.

Генератор (рис. 10.8, а) собран на двух транзисторах разного типа проводи­мости. При включении питания оба транзистора находятся в закры­том состоянии. Конденсатор С1заряжается через резисторы R2и R3. Напряжение в эмиттере VT1будет уменьшаться во времени. Как только оно сравняется с управляющим напряжением, транзистор VT1откроется. В открытое состояние переходит и транзистор VT2. Происходит разряд конденсатора через оба транзистора. Открытое состояние транзисторов определяет длительность импульса, равную 1 мкс. После разряда конденсатора начинается новый цикл работы генератора. Зависимость периода следования импульсов от управляющего напряжения показана на рис. 10.8, б.

Мостовая управляемая схема генератора. Генератор (рис. 10. 9, а) построен на составных транзисторах. Частота импульсов выходного сигнала меняется с помощью напряжения на базе транзистора VT1. С увеличением управляющего напряжения амплитуда импульсов уменьшается U_Вых=10 В – U_ynp. Длительность импульса (2 мкс) остается без изменения. Период следования импульсов определяется цепочкой С2, R3и напряжением в базе транзистора VT1. При включении питания конденсатор С2заряжается через резистор R3. В первый момент напряжение на базе транзистора VT2будет практически равно 10 В. По мере заряда конденсатора это напряжение уменьшается. Когда оно сравняется с напряжением на базе транзистора VT1, произойдет открывание обоих транзисторов.

Рис. 10.9.

Рис. 10.10

Конденсатор начнет разряжаться через открытые транзисторы. После разряда конденсатора наступит новый цикл работы. Генератор работает в широком диапазоне частот. С увеличением емкости конденсатора частота импульсов уменьшается, а длительность увели­чивается незначительно. Зависимость периода повторения от управляющего напряжения показана на рис. 10.9,6.

Генератор с динамической ОС. Выходной сигнал генератора (рис. 10.10) формируется в тот момент, когда оба транзистора открываются. Положительный перепад напряжения в коллекторе транзистора VT2передается на базу транзистора VTL. Коллекторный ток этого транзистора еще больше открывает транзистор VT2. В открытом состоянии транзисторы находятся до тех пор, пока конденсатор разряжается через параллельно соединенные резисторы R4и R5. При закрывании транзистора VT2отрицательный перепад напряжения на коллекторе закрывает транзистор VTL. Конденсатор заряжается через резистор R5. На выходе формируется сигнал, у которого длительность импульса в два раза короче интервала между импульсами.

Мостовая схема с пороговым транзистором. Генератор (рис. 10.11, а) собран на мостовом времязадающем элементе, состоящем из цепочек R2, С2и JR3, С1. В диагональ моста включен транзистор VTL. При включении питания в т. 3будет положительный перепад напряжения, который откроет транзистор VT2. По мере заряда конденсатора С1 напряжение в т. 3уменьшается. Постепенно нарастает напряжение в т. L. Когда напряжение в т. 1будет больше напряжения в т. 3, транзистор VT2включится в нормальный режим. Увеличение напряжения в т. 2заставит транзистор VT2открыться. До этого момента на эмиттере транзистора было большое положительное напряжение. С открыванием транзистора VT2перей­дет в проводящее состояние и транзистор VTL. Начинается новый цикл работы генератора. На рис. 10.11, б приведены эпюры напряжений в точках схемы и зависимость периода повторения от управляющего напряжения.

Рис. 10.11

Рис. 10.12

Генератор с ограниченной ОС. В генераторе (рис. 10 12, а) оба транзистора находятся в открытом состоянии. Конденсатор включен в цепь ПОС. В результате изменения напряжения на коллекторе VT2транзистор VT1открывается. Затем следует открывание транзистора VT2, который входит в насыщение. Конденсатор С1заряжается через резистор R1. Через некоторое время базовый ток транзистора VT1уменьшится настолько, что транзистор VT2выйдет из насы­щения. Положительный перепад в коллекторе транзистора VT2будет закрывать транзистор VT1. Это приведет к закрыванию обоих транзисторов. Они будут закрыты до тех пор, пока конденсатор не разрядится через резисторы R1 – R3. Влияние сопротивления резистора R3на длительность импульсного сигнала показано на рис. 10.12, б. Если вместо резистора R1включить диод, то генератор будет формировать импульсы длительностью 2 мкс и периодом следования 800 мкс.

Генератор с эмиттерной связью. В момент включения питания (рис. 10.13) транзистор VT2открыт. В его эмиттере появляется напряжение, равное напряжению питания. Положительный перепад напряжения действует на эмиттер транзистора VT1. Это напряжение закрывает транзистор VT1. Конденсатор С заряжается через резистор R2. В тот момент, когда напряжение в эмиттере будет близко к нулю, транзистор VT1открывается. Открывание транзистора VT1изменит напряжение на эмиттере транзистора VT2, что вызовет реге­неративный процесс, приводящий к закрыванию транзистора VT2. С этого момента конденсатор Сразряжается через резистор КЗи открытый транзистор VT1. Потенциал эмиттера транзистора VT1за все время разряда конденсатора остается почти постоянным и близким к нулю. Транзистор VT2начнет открываться в тот момент, когда напряжение на конденсаторе будет близко к нулю. В последующий момент ток через резистор R3откроет транзистор VT2и произойдет переключение транзисторов. Наступит новый цикл работы.

Рис. 10.13

Рис. 10.14

Для техноминалов элементов, которые указаны на схеме, длительность импульса выходного сигнала равна 75 мкс, а период следования 850 мкс. При увеличении сопротивления резистора R2до 160 кОм период повторения увеличивается до 7,6 мс.

Генератор с двойным мостом. Генератор (рис. 10.14, а) построен на транзисторах разных типов проводимости. Когда один транзистор открывается, то перепад напряжения в его коллекторе открывает, другой транзистор. Транзисторы либо оба проводят, либо оба закрыты.

При возникновении колебаний конденсаторы заряжаются через открытые транзисторы, а разряжаются через резисторы R2и R3. Согласование постоянных времени Cl, R2и С2, R3стабилизирует период следования импульсных сигналов, длительность которых может быть меньше 1 мкс. Частота следования импульсов опреде­ляется выражением f=1,2/R₂C₂=1,2/R₃C₂. На рис. 10.14,6 приве­дены эпюры напряжений в точках схемы и зависимости периода повторения от R₃.

Управляемый генератор с зарядным конденсатором. При включении питания (рис. 10.15, а) управляющее напряжение открывает транзисторы VT1 и VT2. В т.1 будет напряжение 10 В. До этого напряжения конденсатор С1заряжается через транзистор VTL. По мере заряда конденсатора уменьшается коллекторный ток транзистора VT1, который поддерживает напряжение 10 В в т. 1. Наступит момент, когда напряжение в этой точке уменьшится, что послужит причиной закрывания обоих транзисторов. Начнется процесс разряда конденсатора через резисторы R2, R3и диод VD1. Когда напряжение на коллекторе будет равно управляющему, транзисторы VT1и VT2вновь откроются. Время заряда конденсатора опреде­ляет длительность импульса 10 мкс. На рис. 10.15, б приведены эпюры напряжений в схеме и зависимости длительности периода следования импульсов Тот управляющего напряжения и сопротив­ления резистора R2.

Рис. 10.15

Мостовая схема генератора с усилителем. В генераторе (рис. 10.16, а) время задающая цепочка состоит из элементов Cl, R2, а пороговым элементом является транзистор VT1, сигнал которого управляет транзистором VT2, осуществляющим сброс заряда интегрирующего конденсатора. При включении питания в эмиттере транзистора VT1возникает положительное напряжение, которое по мере заряда конденсатора уменьшается. Как только оно сравняется с управляющим напряжением, открывается транзистор VT1. Происходит процесс разряда конденсатора через транзисторы VT1и VT2. Частота следования импульсов пропорциональна управляющему напряжению. На рис. 10.16, б показана зависимость частоты повторения и периода от управляющего напряжения.

Генератор с двойной ОС. Генератор (рис. 10.17) позволяет получить импульсный сигнал большой скважности. Для тех номиналов элементов, которые указаны на схеме, длительность импульса равна 50 мкс, а скважность можно менять от 2 до 2500. Такая большая регулировка скважности возможна благодаря подключению базовых резисторов R1и R6 к коллектору транзистора VT3.

Рис. 10.16 Рис. 10.17

В момент включения схемы транзисторы VT1и VT2закрыты. Конденсатор С1начинает заряжаться. Напряжение на базе транзистора VT1увеличивается. Этот транзистор открывается. Своим коллекторным током он открывает транзистор VT2. Положительный перепад напряжения в коллекторе транзистора VT2еще больше открывает транзистор VTI. Развивается лавинообразный процесс. В результате в открытом состоянии находятся все транзисторы.

Коллекторное напряжение 9 В транзистора VT3закрывает диод и отключает базовые резисторы Rl, R6. Спустя некоторое время конденсатор полностью зарядится и транзистор VT1закроется. Следом за ним закроются VT2и VT3. Начнется процесс разряда конденсатора через резисторы R1 и R6. В коллекторе транзистора VT3формируются импульсы отрицательной полярности, а в коллекторе VT2— положительной.

Генератор на составном транзисторе. Генератор (рис. 10.18, а) построен на интегрирующей цепочкеRl, C1и двух транзисторах. Напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения уп­равляющего, открывается составной каскад, выполняющий функции тиристора. Конденсатор разряжается через открытые транзисторы и резисторы R2и R4. Время его разряда определяет длительность импульса, равную 15 мкс. После окончания разряда конденсатора транзисторы закрываются. Начинается новый цикл работы генератора. Зависимость периода следования импульсов от управляющего напряжения показана на рис. 10.18, б.

Генератор с интегратором тока. В основу генератора (рис. 10.19, а) положен принцип заряда конденсатора Спостоянным током, протекающим через транзистор VT1.Конденсатор заряжается по линейному закону. Когда напряжение на нем станет равным управляющему, открываются транзисторы VT2и VT3. Происходит процесс разряда конденсатора за время действия импульса 15 мкс.

Амплитуда импульса равна амплитуде управляющего напряжения. Период следования импульсов меняется по линейному закону в зависимости от управляющего напряжения (рис 10 19, б).

Рис. 10.18

Рис. 10.19

Генератор с выключающим транзистором.В первоначальном состоянии все транзисторы (рис. 10.20) закрыты. Конденсатор С1заряжается через резистор R2. Когда напряжение на конденсаторе становится равным напряжению, получаемому с делителя R5 R6(приблизительно 7 В), транзисторы VT1иVT2открываются Разряд конденсатора происходит через транзисторы VT1и VT2ибазовую цепь VT3. Транзистор VT3открывается. Время разряда конденсатора равно T_p = C₁R₄. Затем транзисторы VT1и VТ7 закрываются и начинается новый цикл заряда конденсатора, который длится.

т₃=0,3C₁R₂.

Генератор с квадратичным законом изменения напряжения на конденсаторе. В генераторе (рис. 10.21, а) времязадающим устройством являются транзисторы VT1и VT2и конденсатор С1Транзистор VT1работает в качестве генератора тока. Зарядный ток определяется напряжением на базе этого транзистора. Это напряжение меняется в зависимости от потенциала на конденсаторе. За счет этого в т. 2 напряжение изменяется по параболическому закону. Быстрый рост напряжения на конденсаторе уменьшает время открывания составного каскада VT3. VT4для разряда конденсатоpa. Это свойство увеличивает стабильность периода следования импульсов. На рис 1021,6 представлена зависимость периода Тот управляющего напряжения.

Рис. 10.20

Рис. 10.21

ГЕНЕРАТОРЫ НА МИКРОСХЕМАХ

Низкочастотный генератор.Генератор импульса (рис. 1022) работает на частоте 2,8 Гц Нестабильность частоты равна 0,02% при температурном коэффициенте 0,007%/град. Изме­нение частоты импульсов в основном определяется температурной нестабильностью элементов времязадающей цепи. Выходной импульс имеет амплитуду 20 В. Скважность равна 10³ – l0⁵. В исходном состоянии конденсатор С1заряжен до напряжения, близкого к питающему. Начинается процесс разряда конденсатора через резисторы R2и R11.

Рис. 10.22

Рис. 10.23

Токами утечки диодов КД503Б (0,03 мкА) можно пренебречь Напряжение, до которого разряжается конденсатор, будет определяться в основном делителем R5и R6. Как только напряжение на конденсаторе достигнет значения R_вU_п/(R₅ R₆), открывается транзистор VT2. Транзистор VT3закрывается. Через конденсатор СЗбудет действовать ПОС, которая ускоряет процесс разряда конденсатора С1. После того как закрылся транзистор VT3, начинается процесс разряда конденсатора С2Наступает момент, когда VT3вновь открывается. Положительный перепад напряжения в коллекторе транзистора VT3откроет транзистор VT4 который в свою очередь открывает транзистор VT1и диод VDL. Включается вторая цепь ПОС. Конденсатор С1заряжается до напряжения U_п. Во время заряда С1 формируется длительность импульса. По мере уменьшения зарядного тока транзистора VT4выходит из насыщения и VT1закрывается. Период следования выходных импульсов определяется выражением.

T =R₂C_lln(R₅ R₆)/R6.

Генератор на интегральной микросхеме К137ЛБ2. У генератора (рис. 10.23) при изменении напряжения питания на 1 В относитель­ное изменение частоты составляет 0,003. Если вместо LC-элементов поставить кварц, то относительное изменение частоты составит 5*10^-6.

Транзисторы VT2 — VT4интегральной микросхемы образуют дифференциальный усилитель. Выходной сигнал, снимаемый с эмиттерного повторителя VT1, подается через резисторы R1и R2на базу транзистора VT3(ПОС) и на базу транзистора VT2(ООС) Если в базовую цепь не включен контур, то сигналы ОС взаимно компенсируются и генерация отсутствует. Когда включен контур сигнал ООС ослабляется на частоте последовательного резонанса в делителе, состоящем из R1и низкоомного полного сопротивления LC-цепочки. Поскольку преобладает ПОС, в схеме возникают колебания, частота которых может быть определена по табл. 10.1.

Таблица 10.1

Рис. 10.24 …………… ………………………………..Рис. 10.25

Мультивибратор на дифференциальном усилителе. Генератор (рис. 10.24) может выдавать сигналы с частотой от 1 Гц до 1,5 МГц с нестабильностью примерно 10~³. Он представляет собой симметричный мультивибратор. При постоянной времени ti = t_z выходной сигнал будет иметь форму меандра. Для R1 = R2 = 220 кОм и С7 = С2=0,2 мкФ частота выходного сигнала равна 2 Гц.

Генератор на интегральной микросхеме К122УД1. Импульсный генератор на микросхеме с двумя навесными элементами (рис. 10.25) позволяет перекрыть широкий диапазон частот. Частота выходного сигнала может меняться от 2 Гц (для R=100 кОм, С=1 мкФ) до 1 МГц (для R=3 кОм, С=36 пФ). Для сигналов с другой частотой следования импульсов параметры R и С определяются по формуле f=1/5RС.

Генератор на ОУ К140УД1. Выходное напряжение генератора (рис. 1026) скачком переключается между двумя уровнями благодаря ПОС через резисторы R1и R2.Переключение происходит в момент, когда на входах усилителя напряжения равны. При положительном выходном напряжении конденсатор заряжается через резистор R3. При равенстве напряжений на входах ОУ переходит в другое состояние, на выходе его появляется отрицательное на­пряжение. Конденсатор начинает разряжаться через резистор R3. И вновь при равенстве напряжений на входах ОУ переключается. Благодаря мостовому принципу построения схемы влияние нагрузки не сказывается на параметрах генератора. Изменение напряжения питания на 50% приводит к изменению частоты выходного сигнала всего на 0,5%.

Рис. 10.26

Рис. 10.27

В схеме генератора рис. 10.26, а выходной сигнал имеет форму меандра. Период следования импульсов равен T=CR₃R₁/(R₁ R₂). Для получения выходного сигнала со скважностью более 2 необходимо разделить зарядную и разрядную цепи конденсатора. Это можно реализовать с помощью схемы рис. 10.26, б. Изменяя отношение R₁/(R₁ R₂), можно менять частоту колебаний при постоянной скважности. Генератор работает в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц. Отношение длительности импульса к длительности паузы может меняться в пределах от 0,02 до 50.

Мостовой генератор на ОУ. Генератор (рис. 10.27, а) собран на ОУ, в цепь ОС которого включены времязадающие элементы С1, R5и С2, R4, собранные по мостовой схеме. На выходе интегральной микросхемы формируется сигнал прямоугольной формы. Частота сигнала зависит от коэффициента обратной связи, который управляется резистором R6. Эта зависимость показана на рис. 10.27, б. С помощью резистора R2можно регулировать длительность импульса в пределах 10%.

Генератор на интегральной микросхеме К133ЛA3. Генератор (рис. 10.28, а) построен на двух логических элементах 2И – НЕ. Первый элемент включен в линейный режим с помощью резистора R. Этот элемент вызывает колебания в схеме. Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор. Частота выходного сигнала определяется номиналами R и С. Через резистор Rконденсатор заряжается и разряжается (входное сопротивление элемента микросхемы для отрицательной полярности сигнала, равное 4 кОм, мож­но не учитывать). Генератор работает при сопротивлениях резистора R<510 Ом. На рис. 10.28, б, в приведены, зависимости периода повторения Ти длительности импульса τ от емкости конденсатора С. Мостовая схема генератора. Генератор (рис. 10.29) содержит два логических элемента. В цепи ОС этих элементов включены резисторы, которые выводят интегральные микросхемы в линейный режим работы. Общая ПОС через конденсатор поддерживает в схеме импульсные колебания. Параметры выходных сигналов нелинейные, но меняются от сопротивлений резисторов и ёмкости конденсаторов. Эти зависимости приведены на графиках рис. 10.29.

Рис. 10.28

Рис. 10.29

Мультивибратор на элементах 2И — НЕ. Генератор (рис. 10.30) построен по классической схеме мультивибратора, в которой ПОС осуществляется через конденсаторы. При R1=R2=R иС1-С2=Счастота выходного сигнала определяется, выражением f=1/2,5RС. Широкодиапазонный генератор. Генератор, построенный на трех логических элементах 2И — НЕ (рис. 10.31),-имеет широкий диапазон изменения частоты в зависимости, от емкости конденсатора. Выходной сигнал, близкий по форме к меандру, может иметь частоту от 1 Гц до 1 МГц. При частотах меньше 100 Гц наблюдается нестабильность заднего фронта сигнала. На рис. 10.31 приведены эпюры и графики, характеризующие схему.

Рис. 10.30 Рис. 10.31

Генератор с двойной ОС.В генера­торе (рис. 10.32, а) существуют две ОС: ООС через резистор R2 и ПОС через конденсатор С. В первый момент после включения преобладающее действие оказывает ПОС. Конденсатор имеет сопротивление значительно меньше, чем резистор R2. Происходит процесс заряда конденсатора. Транзистор в это время находится в закрытом состоянии. Отрицательное напряжение на выходе ОУ превосходит напряжение в эмиттере транзистора. По мере заряда конденсатора отрицательное напряжение в эмиттере увеличивается. Наступает момент, когда транзистор открывается. Отрицательный перепад напряжения в коллекторе приведет к переключению ОУ. Транзистор переходит в режим насыщения. В этом состоянии он будет находиться до тех пор, пока разряжается конденсатор. Когда процесс разряда закончится, транзистор стремится перейти в линейный режим. Однако при переходе из режима насыщения в линейный через конденсатор действует ПОС, которая полностью закрывает транзистор. Процесс повторяется. На рис. 10.32,б приведены зависимости периода повторения и длительности импульса от вход­ного напряжения.

Генератор с управляемой ОС.Управляемый генератор (рис. 10.33, а) построен на двух ОУ. Первый ОУ является генератором сигнала треугольной формы, а второй управляет процессом заряда и разряда конденсатора. Управляющий сигнал одновременно действует на две цепи. Когда на выходе ОУ DA1положительное напряжение, диод VD2 открыт. Через него заряжается конденсатор С, а также действует положительный входной сигнал, который увеличивает зарядный ток. Одновременно с выхода ОУ DA2на диод VD1приходит инвертированный входной сигнал, который уменьшает порог закрывания его. В определенный момент напряжение на конденсаторе достигнет порога открывания диода VDL. С этого момента конденсатор Сбудет заряжаться разностным током. Скорость нарастания напряжения на нем уменьшится.

Рис. 10.32

Рис. 10.33

Если в этой схеме уменьшить сопротивление резистора R8,то можно существенно увеличить время заряда конденсатора, и тем самым уменьшить частоту выходного сигнала ОУDA1. Генератор может формировать сигналы с частотой долей герц. На рис. 10.33, б представлена зависимость периода следования от напряжения Е.

Триггер является механизмом, который выполняется, когда происходит конкретное действие с отдельной таблицей. Каждый триггер имеет три основные части:

♦ имя;

♦ действие;

♦ исполнение.

Максимальный размер имени триггера – 128 байтов. Действием триггера может быть либо оператор DML (insert, update или delete), либо оператор DDL. Поэтому существуют две формы триггеров: триггеры DML и триггеры DDL. Исполнительная часть триггера обычно содержит хранимую процедуру или пакет.

Триггерами, или спусковыми устройствами, называют устройства, имеющие два состояния устойчивого равновесия. Каждое из этих состояний может сохраняться сколь угодно длительное время. Переход из одного состояния устойчивого равновесия в другое осуществляется скачком под воздействием внешнего управляющего напряжения.

Перепады выходного напряжения или устойчивые состояния триггера можно принять в качестве логической информации «0» и «1». Поэтому триггер можно использовать в качестве запоминающего устройства, которое хранит один разряд числа, представленного в двоичном коде.

Триггеры подразделяются на две группы — статические и динамические. Статическими называют триггеры, у которых каждое состояние характеризуется неизменным уровнем (потенциалом) выходного напряжения. Статические триггеры называют также потенциальными. В динамических триггерах одно из состояний (обычно единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определенной частоты, а другое (нулевое) — отсутствием импульсов.

Статический триггер реализуется на двухкаскадном усилителе с положительной ОС. Каждый усилитель образует одно плечо триггера. Если оба плеча обладают симметрией по схемотехнике и по параметрам входящих в них элементов, то такой триггер называют симметричным. Если симметрия отсутствует, то триггер называется несимметричным.

Интегральные триггеры используются как самостоятельные устройства и, кроме того, входят в состав различных функциональных устройств: счетчиков, регистров, запоминающих устройств и т.п. Современные интегральные триггеры часто строятся на основе нескольких логических элементов, объединенных в одну микросхему. Они могут иметь несколько входов и различаться способами ввода входной информации.

На схемах входы триггера обозначают буквами латинского алфавита в соответствии с табл. 6.1. По названиям информационных входов называют и триггеры: RS-триггер, D-триггер, JK-триггер и др.

В зависимости от схемы управляющего устройства триггеры делятся на синхронные и асинхронные. Асинхронные триггеры имеют только информационные (логические) входы, и в них запись информации осуществляется в момент ее поступления. В синхронных триггерах запись информации, поступившей на информационные входы, происходит только при поступлении на синхронизирующий (тактирующий) вход дополнительного командного импульса. Синхронные триггеры могут иметь и асинхронные входы, которые обычно служат для установки триггера в нужное исходное состояние.

Асинхронные триггеры используются в качестве коммутаторов, ключей, счетчиков импульсов, делителей частоты повторения импульсов и т.п. Синхронные триггеры применяются в вычислительной и цифровой технике.

Таблица 6.1. Функциональное назначение входов триггера

Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 16.9, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь только последовательно с приёмником 3 электрической энергии. Если амперметр включить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдёт очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 16.9, б). При этом через прибор проходит только часть I_А измеряемого тока I,обратно пропорциональная его сопротивлению R_А.Большая часть I_А этого тока проходит через шунт.

Рисунок 16.9. Схемы для измерения тока (а, б) и напряжения (в, г)

Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т.е. используется в качестве милливольтметра. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу.

Для измерения напряжения U,действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 16.9, в) присоединяют к этим точкам, т.е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приёмнику 3.

Чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал бы больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому можно пренебречь проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров и уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (R_а) (рис. 16.9, г).

Измерение мощности

В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. В цепях однофазного тока мощность измеряют электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром.

Ваттметр 4 (рис. 16.10) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения полярности.

Поэтому его зажимы, к которым присоединяются проводники, идущие со стороны источника 1, обозначают звёздочками.

Измерение электрического сопротивления(электрическими мостами).

Мостовая схема (рис. 16.11) состоит из источника питания, чувствительного прибора (гальванометра Г) и четырёх резисторов, включаемых в плечи моста: с неизвестным сопротивлением R₄ и известными сопротивлениями R₁, R₂, R₃, которые могут при измерениях измеряться.

Рисунок 16.11. Мостовые схемы постоянного тока, применяемые для измерения сопротивлений

Прибор включают в одну из диагоналей моста (измерительную), а источник питания – в другую (питающую). Сопротивления R₁, R₂, R₃ подбирают такими, что при замыкании контакта В показания прибора будут равны нулю (мост уравновешен). При этом неизвестное сопротивление R₄= (R₁/R₂) R₃.

Измерение сопротивления мостом постоянного тока осуществляется следующим образом: к зажимам 1 и 2 присоединяют неизвестное сопротивление R_х (R₄) (обмотку электрической машины или аппарата), к зажимам 3 и 4– гальванометр, а к зажимам 5 и 6 – источник питания (сухой гальванический элемент или аккумулятор). Затем, изменяя сопротивления R₁, R₂, R₃ (в качестве которых используют магазины сопротивлений, переключаемых соответствующими контактами), добиваются равновесия моста, которое определяется по нулевому показанию гальванометра (при замкнутом контакте В).

Работа приборов основана на взаимодействии магнитного поля подвижной катушки, по которой проходит ток, с магнитным полем постоянного магнита. Поэтому магнитоэлектрический прибор должен иметь две основные части: неподвижную – магнитную систему и подвижную – катушку.

Магнитоэлектрический измерительный механизм выполнен в виде постоянного магнита 1,снабжённого полюсными наконечниками 2, между которыми укреплён стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6. Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками, и через которые подводится ток к катушке.

При прохождении тока I по катушке на каждый из её проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создаёт вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол α. Повороту подвижной части измерительного механизма препятствует противодействующий момент М_пр.,создаваемый пружинами или растяжкой.

Поворот подвижной части измерительного механизма и стрелки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М,создаваемый током I,не уравновесится противодействующим моментом М.

Для устранения влияния силы тяжести на точность измерения подвижную систему прибора уравновешивают противовесами 5 (рис. 16.1) в виде стержней с перемещающимися по ним грузиками. Для уменьшения влияния трения оси приборов тщательно полируют наконечники 4, вращающиеся в подпятниках с вкладышами 2, зазоры между наконечниками и подпятником регулируют стопорным винтом 3.

Рисунок 16.1. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма (а, б)

и его подвижной части (в, г)

Для устранения колебаний подвижной системы приборы снабжают воздушными (цилиндрическая камера с перемещающимся поршнем 1, связанным с подвижной системой. При перемещении подвижной системы тормозится в камере поршень, и колебания затухают) или магнитно-индукционными (неподвижный постоянный магнит 3, который при повороте подвижной системы индуцирует вихревые токи в металлическом секторе 4, создающих быстрое затухание колебаний стрелки) демпферами (рис. 16.2).

Прибор применяют для измерения силы тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. На э. п. с. применяют в качестве амперметра и вольтметра.

Электромагнитные приборы.

Принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля, созданного катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещённым в поле катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 16.3, а) или круглой (рис. 16.3, б) катушкой.

Рисунок 16.3. Устройство электромагнитных измерительных механизмов

с плоской (а) и круглой б) катушками

В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2.Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определённый ток.

Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая – на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются и их одноимённые полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создаётся вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Приборы применяют для измерения тока и напряжения в установках переменного тока.

Работа прибора основана на взаимодействии двух катушек, обтекаемых электрическим током. Электродинамический измерительный механизм (рис. 16.4, а) состоит из двух катушек: неподвижной 2 и расположенной внутри неё неподвижной 1. Подвижная катушка 1 связана с осью прибора, со стрелкой и с двумя параллельными пружинами 4 (или растяжками), которые служат для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной катушке 1. В приборе применяется демпфер 3, аналогичный ранее рассмотренному.

При прохождении по катушкам токов I₁ и I₂ возникают электродинамические силы F (рис. 16.4, б), которые стремятся повернуть подвижную катушку относительно неподвижной на некоторый угол.

Рисунок 16.4. Устройство (а) и принципиальная схема (б)

электродинамического измерительного прибора

В зависимости от схемы включения катушек прибор используют в качестве амперметра (последовательное включение), вольтметра (при подключении к двум точкам, между которыми измеряют напряжение) или ваттметра (одна катушка последовательно, а вторая параллельно приёмнику энергии) (рис.16.5).

Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счётчиков электрической энергии в цепях переменного тока.

Рисунок 16.5. Схемы включения электродинамического прибора в качестве амперметра (а),

вольтметра (б) и ваттметра (в)

Ферродинамические приборы.

Принцип работы такой же, как и у электродинамического измерительного прибора. Для усиления магнитного поля применяют магнитопровод из ферромагнитного материала.

Неподвижная катушка 2 (рис. 16.6) размещается на полюсах ферромагнитного сердечника 4, а неподвижная 3 поворачивается так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы, – в воздушном зазоре между полюсами 1 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5. При такой конструкции приборы защищены от влияния внешних магнитных полей. Кроме того, увеличиваются магнитные потоки, создаваемые катушками, и возрастает вращающий момент, действующий на подвижную систему.

Приборы используют в качестве щитовых амперметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока), в качестве самопишущих приборов (т.к. они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах)

Индукционные приборы.

Состоит из двух неподвижных электромагнитов 2 и 3 и подвижного алюминиевого диска 4, укреплённого на одной оси со стрелкой (рис. 16.7). При прохождении переменных токов I₁ и I₂ по катушкам электромагнитов создаются два магнитных потока Ф₁ и Ф₂, сдвинутых одна относительно другого по фазе, которые пронизывают диск. Эти потоки при своём изменении индуцируют в диске вихревые токи I_в1 и I_в2.

В результате взаимодействия вихревых токов с магнитными полями обоих электромагнитов (тока I_в1 с потоком Ф₂ и тока I_в2 с потоком Ф₁) возникает вращающий момент М, под влиянием которого происходит поворот подвижной части прибора. Противодействующий момент в вольтметрах, амперметрах и ваттметрах создаётся спиральной пружиной 1 или растяжками. В зависимости от схемы включения катушек прибор используют в качестве амперметра (последовательное включение), вольтметра (при подключении к двум точкам, между которыми измеряют напряжение) или ваттметра (одна катушка последовательно, а вторая параллельно приёмнику энергии).

Логометры.

Прибор состоит из двух катушек 1 и 2, расположенных под некоторым углом и жёстко закреплённых на общей оси (рис. 16.8). К катушкам подводятся токи I₁ и I₂ через три эластичные спирали 5, не создающие при закручивании механического момента.

Постоянный магнит 3 имеет форму эллипса, поэтому в воздушном зазоре между магнитом и наружным кольцом 4 образуется неравномерное магнитное поле.

В результате взаимодействия токов I₁ и I₂ с магнитным полем возникают два противоположно направленных момента М₁ и М₂. При повороте подвижной части одна из катушек перемещается в область с увеличенным воздушным зазором, а другая – в область с уменьшенным зазором. При этом изменяются моменты М₁ и М₂.При некотором положении подвижной части моменты М₁ и М₂ уравновешиваются. В этом случае I₁/I₂=B₂/B₁.

Таким образом, каждому определённому положению подвижной части соответствует определённое значение токов I₁ и I₂, проходящих по катушкам. При изменении этого отношения будет изменяться угол α.