Oslash; Электронные усилители

Полупроводниковые усилители. Принцип действия полупроводнико­вого триода достаточно под­робно освещался в лекции 1. Поэтому сейчас мы приступим непосредственно к рассмотрению работы усилителя на его базе. Существует три схемы подключения транзистора: с общими эмиттером, базой, коллек­тором. Помимо этого, существует два типа транзисторов – p–n–p и n–p–n. Всего шесть возможных сочетаний схемы и типа транзистора. Рассматри­вать все сочетания в данном курсе нецелесообразно. Из табл. 1 лекции 1 выбираем схему соединения с общим эмиттером. При сравнительно вы­соких допускаемых сопротивлениях на входе и выходе (первое – до килоом, второе – до десятков килоом) и при относительно высоких мощностных показателях входной и выходной цепей, эта схема обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности (до тысяч и более) и наиболее соответствует условиям систем управления машин. Итак, рассмотрим в качестве примера одно­каскадный полупроводниковый усилитель с общим эмиттером на базе транзистора
с p–n–p-переходом (данные транзисторы обладают неплохими мощностными показателями). Схема каскада усилителя постоянного тока приведена на рис. 64. На схеме: генератор переменного тока Г_Х – элемент, вырабатывающий сиг­нал управ­ления (в схемах управления – датчик); сопротивление R_Н – элемент, потребляющий усиленный сигнал (в схемах управления чаще всего – исполнительный механизм); R_Б – со­противление базы. Припомним условие открытости транзистора с p–n–p-пере­ходом: транзистор открыт (т. е. по цепи эмиттер – коллектор протекает коллекторный ток I_К, в сотни раз пре­восходящий паразитный ток базы I_Б по цепи эмиттер – база) при положи­тельном потенциале на эмиттере положительном, но меньшем на базе и отрицательному по отношению к ним обоим потенциалу на кол­лекторе. Рассмотрим случай отсутствия сигнала управления от Г_Х. Эмиттер подсоединен к плюсу питания, база – так же, но через сопротивление R_Б коллектор через нагрузку R_Н – к минусу питания. Сопротивление R_Б создает между базой и эмиттером разницу потенциалов, причем положительный по­тенциал на базе меньше. Условие открытости при отсутствии входного сиг­нала, как видим, соблюдается и по коллекторной цепи течет ток холостого хода I_К.ХХ. В случае, если на базу подается отрицательный потенциал управ­ления, разница потенциалов между базой и эмиттером увеличивается, и увеличивается ток коллектора. При положительном потенциале управления ток коллектора уменьшается.

Графически работу усилительного каскада иллюстрирует потенци­ально-временная диаграмма (рис. 65). Она построена на основе совме­щенной характеристики транзистора (см. рис. 12, лекция 1).

Рис. 65. Потенциально-временная диаграмма

Потенциально-временная диаграмма служит для графоаналитического определения характеристик усилительного каскада. Ха­рактерис­тика
U_К = f(U_Б) из второго квадранта графика за ненадобностью устранена и для наглядности в третьем, четвертом и первом квадрантах добавлены оси времени Т. Диаграмма читается по часовой стрелке в последовательности квадрантов 3 – 4 – 1 – 2. В третьем квадранте на оси Т изображено напряжение на базе U_Б = U_СМ + U_X = f(T). Здесь U_Б – напряжение на базе, U_СМ – постоянная составляющая, проходящая от питания через R_Б, U_X – собственно входной сигнал от Г_Х. Линиями связи его крайние U_Б1 и U_Б3 и среднее U_Б2 значения соединены с входной характеристикой I_Б = f(U_Б). Значения тока базы в точках I_Б1, I_Б2 и I_Б3 соответствуют напряжениям U_Б1, U_Б2 и U_Б3. От точек пересечения I_Б1, I_Б2 и I_Б3 линии связи проведены на токовую характеристику I_K = f(I_Б) в четвертый квадрант. Соответствующие точки на этой характеристике – I_К1, I_К2 и I_К3.

Коэффициент усиления по току

. (57)

Коэффициент усиления по мощности

, (58)

где R_X – сопротивление входной цепи. Из формул (57) и (58) видно, что коэффициент усиления по мощности является величиной того же порядка, что квадрат коэффициента усиления по току. Для того чтобы определить коэффициент усиления по напряжению, пользуются первым квадрантом.

Туда переносятся точки I_К1, I_К2 и I_К3 (на характеристике U_K = f(I_K) соответственно точки U_К1, U_К2 и U_К3). Тогда коэффициент усиления по напряжению

. (59)

Из диаграммы видно, что у каскада с p–n–p транзистором фазировка выходного сигнала противоположна фазировке входного. Такие усилители именуются инверторами (преобразующими). При совпадении фазировок входного и выходного сигналов усилители именуются повторителями. Такими являются, например, усилители на базе n–p–n-транзис­то­ров. Диаграмма наглядно показывает влияние сопротивления базы на коэффициенты усиления. В самом деле, изменение R_Б приводит к изменению разницы потенциалов U_СМ между эмиттером и базой. На приведенном примере увеличение R_Б приводит к опусканию линии U_СМ. Характеристики транзистора нелинейны и это приводит к изменению пропорций между U_Б, I_Б, I_К и U_К, следовательно, и изменению коэффициентов усиления. К сожалению, такая же зависимость (только в обратном порядке) существует между сопротивлением нагрузки и коэффициентами усиления. Как мы помним, для индуктивностей, имеющих ферромагнитный сердечник, индуктивное (т. е. полное) сопротивление зависит от намагниченности сердечника, которая при подаче тока возрастает от нуля до определенной величины. Если эта индуктивность находится в выходной цепи полупроводникового усилителя, то при любом изменении выходного тока коэффициенты усиления изменяются (что приводит к еще большему изменению тока). Отсюда вывод – использование полупроводниковых усилителей при наличии в выходной их цепи ощутимых индуктивностей нецелесообразно. Далее мы рассмотрим типовые исполнительные устройства систем управления. Сейчас достаточно только отметить что все они представляют собой электромагниты, т. е. индуктивные катушки с ферромагнитным сердечником. Следовательно, полупроводниковые усилители не применяются в качестве выходных усилителей мощности в системах управления машин. Главные области применения полупроводниковых усилителей в системах управления машин следующие:

– предварительное усиление сигнала для последующих логических операций и сами эти операции (например, входные операционные усилители в системах управления путевых машин типа ВПР-1200, ВПРС-500). Более подробно об этом в следующей лекции;

– предварительное усиление сигнала для малогабаритного реле. Так как реле – элемент дискретного действия, для него изменения коэффициентов усиления несущественны.

Ограниченность применения является одним из основных недостатков полупроводниковых усилителей. Вторым – является нестабильность характеристик при изменении температуры. К достоинствам полупроводниковых усилителей следует отнести малогабаритность, малую потребляемую мощность, относительно низкую стоимость и высокий коэффициент усиления. Последний легко увеличивается при повышении каскадности усилителя. На рис. 66 приведена схема двухкаскадного усилителя с общим эмиттером. Как видно из схемы, первый каскад является базовой (входной) цепью второго. Для введения дополнительного потенциала смещения второго каскада первый каскад шунтируется сопротивлением R_Б2.

Ламповый усилитель. В лекции 1, достаточно подробно уже рассматривались физические основы работы электронных ламп. Схема однокаскадного усилителя постоянного тока на базе лампового триода приведена на рис. 67,а, а его характеристики – на рис. 67,б. Приведена наиболее распространенная схема с общим катодом, аналогичная полупроводниковому усилителю с общим эмиттером (для сравнения см. схему на рис. 64). Катод аналогичен эмиттеру, сетка – базе, анод – коллектору. Цепь накала катода на схеме не показана.

а	б
Рис. 67. Однокаскадный ламповый усилитель постоянного тока: а – схема; б – характеристики

На характеристиках: I_А – анодный (рабочий) ток; U_С- напряжение на сетке (управляющее); U_А – напряжение на аноде. Все три величины функционально связаны между собой, поэтому характеристики представляют собой семейства номограмм. На сетку подаются: постоянная составляющая, т. е. напряжение смещения от питания через сопротивление R_C и переменная составляющая от Г_Х. Коэффициент усиления есть тангенс угла наклона характеристики I_А = f (U_С) к оси U_С. При изменении R_C характеристики I_А = f (U_С) смещаются (например, при увеличении R_C – влево). При этом в одном и том же сечении за счет нелинейности характеристики меняется угол ее наклона, следовательно, коэффициент усиления. Таким образом, R_C является аналогом R_Б в полупроводниковом и так же, как последнее влияет на коэффициент усиления. Переменная составляющая U_С есть сигнал, требующий усиления. Вообще между полупроводниковым и ламповым усилителем можно провести много аналогий. Аналогичен и графоаналитический метод определения параметров каскада по его характеристикам. Вместе с тем есть и отличия: аналогичный току базы ток сетки практически отсутствует и на характеристиках не отражен, характеристики лампового усилителя в рабочем диапазоне более линейны.

Ламповые усилители более габаритны, чем полупроводниковые, более дороги, требуют дополнительной энергии на нагрев катода, начинают работать только через некоторое время после включения напряжения (когда нагреется катод). Вместе с тем их характеристики более линейны и они обладают меньшей температурной нестабильностью, чем полупроводниковые. Недостатки ламповых усилителей объясняют их гораздо меньшую, чем у полупроводниковых, применимость в системах управления, а их достоинства (по отношению к полупроводниковым) объясняют то, что они все же применяются.

Из полупроводниковых усилителей известны так же усилители на базе варикапов и туннельных диодов (см. лекцию 1), из ламповых – на базе многоэлектродных ламп. Все они предназначены для особых условий работы и различных специфических назначений, как правило, не обладают высокими мощностными показателями, в системах управления машин распространения не получили и в данном курсе рассматриваться не будут. Исключение составляют обладающие высокими мощностными показателями тиристоры. Но так как характеристика приближена к релейной, то они применяются как мощные бесконтактные переключатели и будут рассматриваться далее, в лекции, посвященной исполнительным устройствам.

Электромашинные усилители. В электротехнике получили определенное распространение двухмашинные агрегаты, представляющие собой соосные электродвигатель и генератор. Они служат для преобразований электроэнергии – либо для преобразования переменного тока с высоким показателем трансформации, когда обычные трансформаторы не очень эффективны (например, сварочные генераторы), либо для преобразования постоянного тока в переменный (например, одноякорный преобразователь в системе энергоснабжения путевой машины ВПР-1200). Могут они служить и для усиления по мощности электрического сигнала. В этом случае они именуются электромашинными усилителями (ЭМУ).

Простейшим однокаскадным ЭМУ является обыкновенный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, приводимый во вращение электродвигателем ЭД (рис. 68). Статорная обмотка О_У является обмоткой управления, включенной во входную цепь усилителя и получающей сигнал управления от Г_Х. Роторная обмотка О_Р является источником энергии для выходной цепи, в которую включена нагрузка R_Н. Приращение мощности в выходной цепи по отношению к входной берется за счет механической энергии электродвигателя. Коэффициент усиления по мощности однокаскадного ЭМУ сравнительно невысок – 50…200. Мощность управления от 1 Вт.

Наибольшее распространение за счет высокого коэффициента усиления по мощности получили двухкаскадные ЭМУ с поперечной короткозамкнутой обмоткой (рис. 69), иногда в литературе именуемые амплидинами.

Амплидин представляет собой двухполюсную электрическую машину, обмотки якоря которой расположены перпендикулярно друг другу и контактируют с двумя парами щеток – 1 – 3 и 2 – 4.

Обмотка статора О_У создает управляющий магнитный поток Ф_У. Роторная обмотка О_К расположена поперек этого потока и является короткозамкнутой. В силу того, что наибольшая эдс возникает в проводнике, расположенном поперек потока, и обмотка короткозамкнута (а что такое ток короткого замыкания представляют себе все без особых пояснений), то в обмотке О_К возникает весьма большая эдс. Это первый каскад усиления. Ток обмотки О_К создает в свою очередь магнитный поток Ф₂, наводящий в перпендикулярно расположенной роторной обмотке О_Р эдс второго каскада, которая и подается от щеток 2 – 4 на нагрузку. Коэффициент усиления по мощности таких ЭМУ составляет 4×10² ......2,5×10⁴. Выходная мощность – до 100 кВт, время реакции на сигнал (инерционность) – 0,1....0,3 с. При наличии нескольких обмоток управления ЭМУ может производить алгебраическое сложение нескольких входных сигналов. ЭМУ часто применяют для управления исполнительными двигателями постоянного тока. Достоинствами ЭМУ являются высокая выходная мощность, безразличие к нагрузке управления, высокий коэффициент усиления. Недостатки – большие габариты и масса, сложность (следовательно, высокая стоимость и пониженная надежность), наличие коллектора, отсюда: износ щеток и опять снижение надежности.

Контрольные вопросы и задания

1. В чем принцип действия магнитного дросселя насыщения?

2. Назовите основной недостаток магнитного дросселя насыщения.

3. Объясните принцип действия магнитного дроссельного усилителя.

4. Назовите достоинства и недостатки магнитных усилителей?

5. Расшифруйте потенциально-временную диаграмму каскада полупроводникового усилителя.

6. Назовите достоинства и недостатки полупроводниковых усилителей.

7. Почему полупроводниковый усилитель не используется как выходной в системах управления?

8. Назовите достоинства и недостатки ламповых усилителей по отношению к полупроводниковым.

9. Объясните принцип действия двухкаскадного ЭМУ.

10. Назовите достоинства и недостатки ЭМУ.