книги / Общая электротехника и электроника

жение. Неуправляемый тиристор называется динистором. В управляемых тиристорах управление может быть как по катоду, так и по аноду, они бывают запираемые и незапираемые и др.

Параметрами приборов часто являются предельные или номинальные напряжения, токи, параметры управления или диапазоны изменения этих параметров.

8.4.Электронные устройства

8.4.1.Аналоговые устройства. Выпрямитель

Выпрямитель применяют для преобразования переменного напряжения в постоянное с требуемыми параметрами. Его типовая схема приведена на рис. 8.1 и содержит трансформатор (Т), схему выпрямления на диодах (В), как правило мостового типа, фильтр (Ф) и при необходимости стабилизатор напряжения или тока (на схеме не показано). Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети (С) до необходимого уровня, который затем выпрямляется диодами в устройстве (В). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение или ток на приемнике (П) при изменении напряжения сети.

Рис. 8.1. Типовая схема выпрямителя

В однофазной мостовой схеме выпрямления четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину

121

периода два диода в противоположных плечах моста проводят ток, а другие два диода закрыты. Вторую половину периода вторые два диода проводят ток, а первые два диода закрыты. Временная диаграмма выпрямления приведена на рис. 8.2, где утолщенной штриховой линией показана кривая разряда конденсатора между выпрямленными полуволнами. Внешняя характеристика выпрямителя приведена на рис. 8.3, где падение среднего напряжения на нагрузке с увеличением тока нагрузки обусловлено более быстрой разрядкой конденсатора.

8.4.2. Инвертор

Инвертированием называется процесс, обратный выпрямлению.

Инвертор применяют для преобразования постоянного напряжения в переменное или переменного напряжения после выпрямления в другое переменное или постоянное напряжение. Идея заключается в том, что если увеличить частоту преобразования, например в 100 раз, по сравнению с промышленной, с 50 Гц до 5 кГц, то габариты и массу силового трансформатора, а значит, и всего устройства можно уменьшить в 10 раз. Недостатком является несинусоидальная частота на выходе устройст-

122

ва, приходится применять меры по экранизации устройства,

атакже использовать высокочастотные магнитопроводы и конструкции трансформаторов с малой индуктивностью рассеяния, как правило, торы. При этом сохраняется гальваническая развязка входа и выхода. Типовая упрощенная схема инвертора приведена на рис. 8.4, а. Форма кривой магнитного потока представлена на рис. 8.4, б (жирная линия), форма кривой выходного напряжения изображена тонкой линией. При включении инвертора открывается более чувствительный транзистор и закрывается противоположный каскад. При достижении максимального потока магнитопровода Ф работающий каскад закрывается из-за пропадания отпирающего напряжения самоиндукции и открывается противоположный каскад, т.е. они работают поочередно. При этом поток магнитопровода Ф имеет треугольную форму,

авыходное напряжение – прямоугольную.

Рис. 8.4. Инвертор: а – упрощенная схема;

б– временная диаграмма

8.4.3.Стабилизатор напряжения и тока

Классическая схема стабилизатора постоянного напряжения на нагрузке приведена на рис. 8.5. Стабилизатор напряжения СU состоит из регулирующего транзистора Т, имеющего три вывода (эмиттер (Э), базу (Б), коллектор (К)), стабилитрон D и резистор R, устанавливающий режим стабилитрона D по постоянному току. Напряжение на нагрузке равно Uн = UD – UБЭ, где UD и UБЭ достаточно стабильны, и не будет меняться при

123

изменении входного напряжения U0 и сопротивления нагрузки Rh в расчетных пределах.

Если по условиям работы для нагрузки требуется стабилизированный ток (например, в целях защиты), то схема классического стабилизатора тока СI приведена на рис. 8.6. Он состоит из тех же элементов, только изменена схема включения транзистора Т, а также добавлен резистор RD, используемый в качестве датчика тока. Напряжение на нем определяется разностью напряжений, как и в предыдущем случае, но поскольку его сопротивление постоянно, то и ток через него будет постоянный, а значит, постоянный и в нагрузке.

8.4.4. Классический усилитель

Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов за счет энергии источника питания. По признаку усиливаемого сигнала они делятся на усилители напряжения, тока и мощности. Для усилителей с практически линейным режимом работы искажение сигнала будет минимальным, если без искажения будут усиливаться все его гармонические составляющие. Свойство усилителя увеличивать амплитуду гармонических составляющих сигнала характеризует его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). По типу АЧХ рассматриваемые устройства

124

делят на усилители медленно изменяющихся напряжений и токов, или усилители постоянного тока (УПТ), усилители низких частот (УНЧ), усилители верхних частот (УВЧ) и узкополосные усилители (усилители полосового сигнала (УПС)).

На рис. 8.7, а изображен типовой каскад усиления на биполярном транзисторе Т типа р-n-p, включенном по схеме с общим эмиттером. Резисторы R1, R2, Rэ и Rк определяют режим каскада по постоянному току, точка А – на нагрузочной характеристике (рис. 8.7, б). Повышение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора так, что токи базы, коллектора и эмиттера увеличиваются при прочих неизменных условиях. При наличии резистора Rэ в цепи эмиттера это приводит к увеличению на нем напряжения и, соответственно, к уменьшению UБЭ и стабилизации режима. Для исключения уменьшения переменного сигнала параллельно Rэ включен конденсатор С3 большой емкости.

Конденсаторы С1 и С2 большой емкости отделяют цепь постоянного тока, запитанного от батареи Б, от цепи источника сигнала uc и цепи приемника с сопротивлением нагрузки Rн. При изменении входного тока от Iб1 до Iб2 (см. рис. 8.7, б) изменяются ток коллектор – эмиттер транзистора и, соответственно, напряжение на резисторе Rк(uвых).

Рис. 8.7. Классический усилитель: а – схема; б – ВАХ; в – схема замещения

125

На схеме замещения каскада (рис. 8.7, в) эквивалентом входного сопротивления каскада является Rвх (примерно 1–10 кОм),

Rвых = Rк (≈10–100 кОм), коэффициент усиления по току Ki = iн/ic, коэффициент усиления по напряжению Ku = uвых/uc, коэффициент усиления по мощности KР = uвых· iн/ucic (0,2–5·103). Недостатками классического каскада усиления являются зависимость электрических параметров от температуры окружающей среды, разная технология изготовления ЭРЭ (транзисторов, резисторов, конденсаторов), что значительно осложняет автоматизацию изготовления радиоэлектронной аппаратуры(РЭА).

8.4.5. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей АЧХ fв = 102–105 Гц в интегральном исполнении и содержит на входе дифференциальный каскад с большим входным сопротивлением, несколько каскадов усиления с непосредственной связью и низкоомный каскад на выходе, которые обладают большим коэффициентом усиления в целом. Первоначально ОУ использовались для выполнения математических операций над аналоговыми величинами, но теперь их применение значительно расширились.

Дифференциальный входной каскад (рис. 8.8, а) состоит из двух транзисторов одного типа, эмиттеры которых соединены вместе для взаимной термостабилизации. Он запитан от двухполярного источника питания, середину которого соединяют с корпусом (на схеме обычно не показывают). Если зафиксировать потенциал базы транзистора Т1 (соединить с корпусом), то увеличение потенциала базы транзистора Т2 приведет к открытию этого транзистора, увеличению проходящего через него тока и увеличению напряжения падения на резисторе Rк, т.е. к уменьшению потенциала на коллекторе транзистора Т2. Этот вход называют инвертирующим и на схемах обозначают знаком «минус». Если зафиксировать потенциал базы Т2, то увеличение потенциала базы Т1 приведет к увеличению потенциала коллектора

126

транзистора Т2. Этот вход называют неинвертирующим и обозначают знаком «плюс».

а б в

Рис. 8.8. Операционный усилитель: а – дифференциальный входной каскад; б – усилитель; в – генератор на мосте Вина

Типовой каскад усиления на ОУ приведен на рис. 8.8, б. Поскольку вход ОУ, в частности инвертирующего, обладает большим входным сопротивлением и имеет потенциал корпуса, то при увеличении потенциала на входе приведет к уменьшению потенциала на выходе таким образом, что через последовательно соединенные резисторы R1 и R2 будет течь один ток, т.е. коэффициент усиления каскада будет равен Kу = uвых/uвх =

= iвыхR2/iвхR1 = R2/R1. На ОУ легко реализуются различные функциональные устройства, в том числе и генераторы синусоидальных колебаний (рис. 8.3, в).

8.4.6. Генераторы

Генераторы – это устройства, предназначенные для создания электрических колебаний. Процесс получения переменных напряжений и токов требуемой формы и частоты называется генерированием электрических колебаний. Их различают на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенератор (часто просто генератор) возбуждается сам, а генератор с внешним возбуждением (в импульсной тех-

нике – ждущий генератор) переходит в режим генерации, фор-

127

мирования или усиления электрических колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний.

Генератор гармонических колебаний вырабатывает сигнал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника. Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических составляющих, например пилообразной формы.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выполнения автогенератор состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока (рис. 8.9). На схеме К–

коэффициент усиления усили- Рис. 8.9. Обобщеннаяструктурная теля, β – коэффициент ослабле- схемаавтогенератора ния обратнойсвязи.

Наиболеечасто применяется обратнаясвязьпонапряжению. Режим самовозбуждения автогенераторов может быть мягким, когда генератор постепенно выходит на установившуюся амплитуду колебаний. В этом случае амплитудная характеристика усилителя имеет типичный вид. В режиме жесткого самовозбуждения выходные колебания возникают мгновенно (скачком). В этом случае амплитудная характеристика усилителя имеет S-образную форму и требуется очень сильная

обратная связь.

Условия самовозбуждения автогенераторов следующие:

128

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные LC-контуры (LC-генераторы с частотой более

100кГц) и RC-цепи (RC-генераторы с частотой менее 10 кГц).

Вбольшинстве схем LC-генераторов напряжение обратной связи снимается с части колебательного контура, поскольку контур при этом имеет три точки соединений (выводов), то такие генераторы получили название трехточечных (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Схемы трехточечных автогенераторов: а – общая схема; б – с использованием индуктивности; в – с использованием емкости

Классическим представителем RC-генератора синусоидального напряжения с применением ОУ является генератор на мосте Вина (рис. 8.8, в).

Наиболее важным требованием, предъявляемым к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы частота колебаний флюктуирует в некоторых пределах по случайному закону под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменения температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий и пр. Влияние дестабилизирующих факторов проявляется в изменениях величин индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RC-цепей.

Качество работы автогенераторов оценивают абсолютной

и относительной нестабильностью частоты.

129

Абсолютная нестабильность представляет собой разность f междутекущимf иноминальнымfn значениямичастотыколебаний.

Относительная нестабильность частоты определяется ко-

эффициентом нестабильности δf = f/fn.

В схемах автогенераторов применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ (нестабильность до 10–5) заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе прецизионных элементов в колебательных контурах. Для исключения влияния температуры генераторы помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику.

Кварцевый способ (нестабильность до 10–7) основан на применении вместо LC-контуров кварцевого резонатора.

Автогенераторы можно рассматривать как усилители с положительной обратной связью.

8.4.7. Импульсные полупроводниковые и цифровые устройства. Транзистор в режиме ключа

Импульсные полупроводниковые и цифровые устройства объединяют обширную группу устройств, которые применяются в системах управления, передачи информации, в том числе по каналам дальней связи, в измерительной и вычислительной технике. Импульсное представление информации повышает помехоустойчивость и достоверность обработки, передачи и хранения информации, так как слабо зависит от шумов и помех. В современных импульсных и цифровых устройствах работают ОУ в импульсном режиме и транзисторы в качестве бесконтактных ключей (рис. 8.11, а).

Если постоянное напряжение Uвх < 0, то транзистор находится в закрытом состоянии и Uвых = Ек. Это состояние соответствует разомкнутому положению ключа. При постоянном напряжении Uвх > 0 транзистор переходит в открытое состояние

130