Усиление электрических сигналов. Бесконтактная коммутация
Трансформация и усиление Трансформацией называют изменение соотношения в воздействии силовой и скоростной характеристики (в случае электрической трансформации – тока и напряжения) без увеличения мощности. Усилением называют увеличение мощности воздействия за счет использования энергии внешнего, по отношению к источнику воздействия, источника энергии. Трансформаторы Усилители
Принцип усиления В тех случаях, когда мощности воздействия недостаточно для непосредственного совершения работы прибегают к усилению. Усиление обеспечивается за счет того, что «слабое» воздействие напрямую не совершает полезной работы, а управляет «вентилем» , который регулирует поток энергии от внешнего источника, совершающего полезную работу. Источник энергии Постоянное воздействие Источник воздействия Вентиль Слабое управляющее воздействие Целевой объект Регулируемое воздействие Пример, велосипед и автомобиль. Водитель обоих транспортных средств имеют возможность регулировать скорость транспортного средства. Но велосипед является трансформатором, источников энергии в нем нет. Поэтому скорость велосипеда ограничена мощностью ног водителя. В автомобиле водитель тоже затрачивает мощность своих мышц на управление, но эта мощность используется только для привода вентилей: дроссельной заслонки, ГУР, ВУТС. А мощность для совершения полезной работы получается от двигателя.
Электрическое усиление Под электрическом усилением понимают создание переменного электрического тока большей мощности, характер которого повторяет характер управляющего тока. Источник сигнала 12 В, 10 м. А 12 В, 10 А Электромагнитное реле – старейший тип дискретного электрического усилителя
Электронно-дырочный переход в полупроводнике В современных электронных усилителях в качестве вентиля используются исключительно полупроводниковые приборы, действие которых основано на барьерных свойствах электронно-дырочных переходов (p-n переходов) Область n - типа Область p - типа
Образование электроннодырочного перехода В зоне контакта зон полупроводника различных типов проводимости происходит рекомбинация свободных электронов из n-области и дырок из p-области. В результате, в зоне рекомбинации не остается свободных зарядов и она становится диэлектриком
Электронно-дырочный переход в присутствии внешнего поля Внешнее электрическое поле нарушает равновесие в зоне перехода. При подключении внешнего источника «отрицательным» полюсом к p-области свободные дырки «оттягиваются» из зоны перехода, ее ширина увеличивается и проводимость снижается еще сильнее. При включении «наоборот» электрическое поле «выталкивает» свободные электроны и дырки в область перехода, насыщая его свободными зарядами и увеличивая проводимость. Таким образом p-n переход обладает свойством односторонней проводимости. Обратное включение – тока нет Прямое включение – ток протекает
Полупроводниковый диод – простейший прибор на базе одного p-n перехода. Выполняет роль «обратного клапана» в электрических цепях. Полупроводниковый диод относится к нелинейным элементам: ток через него не находится в прямой пропорциональной зависимости от напряжения Примерное описание ВАХ диода ПРОБОЙ Обратное включение ВАХ диода Прямое включение
Неоднозначность сопротивления диода Как и все элементы с нелинейной ВАХ полупроводниковый диод обладает неоднозначным электрическим сопротивлением для постоянного и для переменного тока. Сопротивление постоянному току есть отношения напряжения, приложенного к диоду, к току, протекающему через него. Сопротивление переменному току есть отношение приращения напряжения на диоде к приращению тока через него. Сопротивление переменного тока часто называют «дифференциальным сопротивлением» . На прямой ветви ВАХ диода сопротивление постоянному току всегда больше сопротивления переменному, а на обратной – наоборот. I U
Отрицательное дифференциальное сопротивление (ОДС) возникает у прибора, имеющего S-образную или N-образную форму ВАХ. Наличие участка с ОДС позволяет преобразовывать энергию постоянного тока в электрические колебания, то есть работать усилителем. Следует иметь в виду, что сопротивление постоянному току на всей ВАХ остается положительным.
Биполярный транзистор – трехэлектродный трехзоновый полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Зоны проводимости биполярного транзистора чередуются: n-p-n или p-n-p. Средняя область получила название база (у старых типов транзисторов была силовым каркасом прибора), а внешние – эмиттер (электрод, испускающий в базу носители зарядов) и коллектор (собирающий из базы носители зарядов). Следует иметь в виду, что хотя свойства эмиттерного и коллекторного переходов аналогичны свойствам диодов, наличие у них общей базы придает прибору новые свойства, которых у двих отдельных диодов не может быть впринципе. Схема расположения переходов Разрез
Перенос зарядов в базе транзистора Для того, чтобы биполярный транзистор работал в качестве усилителя его коллекторный переход должен быть подключен к источнику тока в обратном направлении. Следовательно, ток через этот переход протекать не может. Однако, если к другому источнику тока в прямом направлении подключить эмиттерный переход, то через него возникнет ток и в область базы начнут инжектироваться свободные заряды. Однако, попав в область базы, они попадают под действие электрического поля коллектора и, проходя базу насквозь, создают ток в цепи коллектора. Лишь малая часть зарядов успевает рекомбинироваться в базе и не включиться в ток коллектора. В результате переноса зарядов в базе, в коллекторной цепи возникает ток, который передается в нагрузку транзистора + 0
Транзистор, как усилитель Заряды, инжектированные эмиттером в базу и собранные из нее коллектором оказываются в неодинаковых условиях. Так как эмиттерный переход открыт и его сопротивление мало, необходимый ток создается при очень небольшом напряжении: порядка долей вольта. Коллекторный переход закрыт и его сопротивление очень велико. Поэтому источник питания, подключенный к коллекторному переходу и нагрузке может иметь достаточно большое напряжение. При этом вывод базы оказывается общим, как для управляющей, так и для управляемой цепи. Iк=0, 9 А Uэ=1 В Uк=100 В K=90 Iэ=1 А Pэ=1 А*1 В=1 Вт Pк=0, 8 А*100 В=90 Вт Хотя транзистор, включенный по схеме «общая база» и не дает усиления по току, за счет большего напряжения в цепи коллектора происходит усиление по напряжению и, следовательно, усиление мощности
Схема с общим эмиттером Общим выводом для входной и выходной цепи может быть любой вывод транзистора: база, эмиттер, коллектор. При этом усилительные свойства транзистора существенно изменяются. Схема с общей базой плоха тем, что не усиливает ток. А применительно к автомобильной электронике, где напряжение ограничено, получить усиление возможно только за счет тока. В этом плане более универсальна схема с общим эмиттером. Iэ=1 А Iк=Iэ-Iб=0, 1 А Uб=1 В Iб=0, 1 А Uк=100 В K=900 Pб=0, 1 А*1 В=0, 1 Вт Pк=0, 9 А*100 В=90 Вт
Особенности схемы с общим эмиттером В схеме с общим эмиттером (ОЭ) источник управляющего воздействия лишь «собирает» из базы ту часть носителей зарядов, которая успела рекомбинироваться. Основную долю тока эмиттера создает мощный источник, питающий коллекторную цепь и нагрузки. В связи с этим, схема с общим эмиттером характеризуется усилением как по току, так и по напряжению и наибольшим коэффициентом усиления мощности. Но у нее есть принципиальный недостаток. Усилитель по схеме с общим эмиттером неустойчив. Так как ток коллектора пропорционален току эмиттера, а ток эмиттера в свою очередь создается током коллектора, внезапный рост последнего (например, при КЗ в нагрузке или нагреве транзистора) вызывает рост тока эмиттера. Это в свою очередь вызывает рост тока коллектора и процесс лавинообразно разгоняется до наступления теплового пробоя транзистора и выхода его из строя. Для предотвращения этого явления в цепь эмиттера включается сопротивление, падение напряжения на котором уменьшает напряжение, приложенное между базой и эмиттером со стороны внешнего источника. Таким образом возникает ООС, которая стабилизирует режим работы транзистора.
Стабилизация режима схемы ОЭ Ur Ueb Uek Uin U
Каскад усиления на транзисторе Сам по себе транзистор является только составной частью усилителя – вентилем. Для получения усиления электрического сигнала строят усилительный каскад. В состав усилительного каскада кроме транзистора включается также источник питания и элементы, обеспечивающие режим работы транзистора. Схема каскада существенным образом зависит от назначения усилителя. Принципиально все каскады подразделяют на каскады усиления постоянного тока и каскады усиления переменного тока. Каскады усиления постоянного тока делят на пропорциональные, разностные (дифференциальные) и переключающие (ключевые). Каскады усиления переменного тока делят на широкополосные (апериодические) и узкополосные (резонансные). Принципиальное отличие каскадов усиления переменного тока в том, что режим транзистора по постоянному току определяется только элементами самого каскада и не зависит ни от входных ни от выходных цепей.
Апериодический усилительный каскад Iк Rк Rб 1 Свх Свых Iб Uкэ Uбэ Вход сигнала Rб 2 Uэ Uб Rэ Iэ Выход сигнала Rк – сопротивление в цепи коллектора – задает основные характеристики каскада Rэ – сопротивление в цепи эмиттера, стабилизирует режим Rб 1 и Rб 2 делитель напряжения в цепи базы – задает рабочую точку каскада. Cвх и Свых – разделительные конденсаторы. Отделяют каскад по постоянному току от источника сигнала и нагрузки.
Понятие о рабочей точке Рабочей точкой каскада называют сочетания токов и напряжений на переходах транзистора в заданный момент времени. Транзистор содержит p-n переходы, обладающие односторонней проводимостью. Следовательно непосредственно усиливать сигналы переменного тока он не может: положительная и отрицательные полуволны оказываются в неравных условиях и на выходе будет искаженный сигнал. Для устранения искажений на вход транзистора подают некоторый начальный ток. При этом переменный ток складывается с начальным. В результате даже при отрицательной полуволне p-n переходы транзистора продолжат работать в прямом включении, достоверно усиливая сигнал. Начальный ток называют «смещением» . А сочетание токов и напряжений на транзисторе при отсутствии входого сигнала – начальной рабочей точкой. Iб Iб РТ Iсм Uбэ Каскад без смещения Uсм Смещение Uбэ
Выбор режима работы каскада Под режимом работы каскада понимается сочетание начальных рабочих точек на входных и выходных ВАХ транзистора. Выбор режима работы начинается с выходной цепи. Семейство ВАХ Iк Iб 5 Iб 4 Рабочая точка Uкэ0 Iб 2 Iк 0 Iб 3 Iк 0 Iб 1 Iб 0 Нагрузочная прямая Uкэ0 Uкэ
Предельные режимы каскада Не любое положение рабочей точки допустимо. При превышении предельного напряжения на переходе произойдет его пробой. При превышении предельного тока через вывод перехода, это вывод сгорит. При превышении предельно допустимой мощности расплавится сам p-n – переход. В зоне отсечки и насыщения разрушение транзистора не произойдет, но ток базы в этих зонах не может управлять током коллектора. Следовательно нарушится взаимосвязь входного и выходного сигнала, возникнут искажения. Зона насыщения Iк Предельная мощность Предельный ток Допустимая область рабочих точек Зона отсечки Uкэ0 Предельное напряжение
Выбор рабочей точки на входных характеристиках После того, как выбрана рабочая точка на выходных характеристиках, выполняется ее выбор на входных характеристиках (ВАХ перехода базаэмиттер) Iб Iк 0 Iб 0 Uбэ0 После того как выбраны рабочие точки и произведен расчет резисторов, обеспечивающих их каскад может считаться рассчитанным и осуществляется переход к его эквивалентной схеме.
Эквивалентная схема замещения каскада После расчета режима каскада строится его эквивалентная схема замещения. Эквивалентная схема замещения каскада соответствует управляемому источнику тока. G 11 Y 22
Скачать презентацию Усиление электрических сигналов Бесконтактная коммутация Трансформация и
Усиление электрических сигналов.ppt