Электронные усилители

В качестве управляющих устройств в электронных усилителях применяются электронные лампы, ионные и полупроводниковые приборы. Электронные усилители имеют высокую чувствительность (большой коэффициент усиления) и обладают способностью усиливать сигналы весьма малой мощности.

В связи с развитием полупроводниковой технологии в устройствах автоматики применяются преимущественно полупроводниковые усилители. Полупроводниковые усилители обеспечивают высокий КПД при низких напряжениях питания и больших токах, имеют малые габаритные размеры и большой срок службы.

В системах автоматического управления применяются транзисторные и тиристорные усилители.

Преимущества – малые габариты и вес, малая инерционности (быстродействие), хороший коэффициент усиления по мощности.

Недостатки – температурная зависимость параметров тока (этот недостаток устраняется установкой радиатора на корпус транзистора).

Коэффициент усиления транзисторных и тиристорных усилителей на один каскад имеет следующие значения:

усиление по напряжению k _u ≤100

усиление по току k _I ≤100

усиление по мощности k _p = 10²...10⁴

Максимальная выходная мощность достигает 10 кВт при КПД, равном 96...98%.

Усилители, включенные последовательно, составляют многокаскадное усилительное устройство.

Применяются усилители постоянного и переменного тока.

Устройство полупроводникового усилителя

Э Б К

+ р – п – р + – (дырочная проводимость) положительный переход;

– п – р – п – – (электронная проводимость) отрицательный переход.

Эмиттер – область, которая впрыскивает, инжектирует носители заряда в область базы. База принимает носители заряда и передает в область коллектора (собиратель, принимает носителей заряда).

Из закона Киргофа:

I_э = I_к + I_б

U_эк = U_эб + U_кб

Принцип действия транзистора заключается в следующем: носители заряда инжектируются в зависимости от потенциала базы, носители заряда либо проходят через базовую область через коллектор, что соответствует открытому состоянию транзистора, либо остаются в области эмитора и ток через транзистор не течет.

Транзистор может работать в одном из трех режимов:

в режиме отсечки или запирания, на оба перехода передан сигнал обратной полярности (–) р – п – р (–), (+) п – р – п (+) – носитель заряда уходит во внешнюю цепь и база обладает бесконечно большим сопротивлением;

режим насыщения – когда на оба перехода подано прямое напряжение (+) р – п – р (+), (–) п – р – п (–). В этом режиме ток коллектора не зависит от потенциала базы, а падение напряжения на транзисторе близко к “0”.

Активный режим. В активном режиме на эмиттер подается прямое напряжение (+) у (+) р – п – р (+) и (–) у (–) п – р – п (–), а у коллектора обратное. В этом случае, через базовую область протекает ток от эмитора к коллектору (транзистор открыт), такой режим активный.

Активный режим применяется в автоматических системах (автоматике), в усилителях, которые применяются в АСУ.

Ток базы транзистора в реальных схемах очень мал, он как правило в 10…100 раз меньше тока коллектора, он является нежелательным. Для его уменьшения область базы (толщина) делается очень малой (тонкой) порядка нескольких мкм.

Транзистор включается в электрическую цепь по одной из трех схем: ОБ, ОЭ, ОК.

В зависимости от того, какой из трех выводов является общим для входной и выходной электрической цепи.

Рисунок 1

Входная величина Iэ и Uб,

выходная величина Iк и Uкб

Кi = Iк / Iэ;

Кu = Uкб / Uэб

Кр = Кi ∙ Кu = (Iк / Iэ) ∙ (Uкб / Uэб)

Rвх = Uэ / Iэ

Rвых = Uкб / Iк

Рвх = Uэб ∙ Iэ

Рвых = Uкб ∙ Iк

Характерным параметром для данной схемы является статический коэффициент усиления по току, обозначается через α.

α определяется без нагрузки, которая включается в цепь коллектора (когда отсутствует нагрузка)

α = Iк / Iэ

Статический коэффициент усиления по току (α) больше динамического коэффициента усиления по току (Кi), то есть α > Кi.

Статический коэффициент усиления по току приводится в паспортных данных транзистора.

Для данной схемы Iк >> Iб, α ≈ 1, Iк = Iэ – Iб.

Рисунок 2

Входная величина Iб и Uбэ,

выходная величина Iк и Uкэ

Кi = Iк / Iб;

Кu = Uкэ / Uбэ

Кр = Кi ∙ Кu

Rвх = Uбэ / Iб

Rвых = Uкэ / Iк

Рвх = Uбэ ∙ Iб

Рвых = Uкэ ∙ Iк.

Для данной схемы статический коэффициент усиления по току – β.

β = Iк / Iб,

β > Кi

β - паспортные данные.

Iк = Iэ – Iб

Рисунок 3

Входная величина Iб и Uбк,

выходная величина Iэ и Uэк

Кi = Iэ / Iб;

Кu = Uэк / Uбк

Кр = Кi ∙ Кu

Rвх = Uбк / Iб

Rвых = Uэк / Iэ

Рвх = Uбк ∙ Iб

Рвых = Uэк ∙ Iэ.

Статический коэффициент не рассматривается.

Рассмотрев три схемы сделаем выводы: В зависимости от требуемых условий работы целесообразно применять ту или иную схему. Например: Схема с общим эмитором – обладает наибольшим Кр, при средних значениях Rвх и Rвых, поэтому она широко применяется в промежуточных каскадах усилителей. При работе с низкоомной нагрузкой большое значение принимает величина Rвых, чем больше Rвых схемы, тем больше потери энергии и меньше сигнал нагрузки. Наименьшим Rвых обладает схема с общим коллектором, поэтому она применяется для согласования выходных каскадов усилителей с низкоомной нагрузкой.

Схема с общим коллектором усиливает только ток, передавая напряжение почти без изменения, поэтому иногда ее называют эмиторным повторителем.

Rвх у схемы с общим коллектором максимальная, что применяется для согласования усилителя с высокоомным датчиком. Все параметры рассмотренных схем можно внести в таблицу:

Параметры	Схема с общим Э	Схема с ОБ	Схема с ОК
Кi	десятки	немного < 1	десятки
Кu	до сотен	до сотен	немного < 1
Кр	до тысяч и более	до сотен	десятки
Rвх	до единиц кОм	до десятков Ом	десятки кОм
Rвых	до десятков кОм	до сотен кОм	до единиц кОм

Усилители переменного тока с выходной мощностью до десятков ватт находят широкое применение в устройствах электроавтоматики в основном для управления двухфазными индукционными электродвигателями. Мощность, потребляемая обмоткой управления двигателя, состоит из активной и реактивной составляющих, причем только активная составляющая мощности совершает полезную работу. Для компенсации реактивной мощности двигателя параллельно или последовательно с управляющей обмоткой включают конденсатор.

В схемах оконечных каскадов транзисторы включают по схеме с общим эмиттером, обеспечивающей максимальное усиление по мощности.