Транзисторные исполнительные устройства

Схемотехническими реализациями транзисторных ИУ являются усилители постоянного тока и импульсные усилители.

Транзистор в усилительных устройствах выполняет роль управляемого сопротивления (Z_И на рис. 6.2), вносимого в цепь нагрузки (Z_Н). Величина Z_И определяется величиной и знаком управляющего сигнала. Для большинства практических случаев транзистор может быть замещен активным сопротивлением R_ТР так, что Z_И = R_ТР.

Последовательная и параллельная схемы усилительных устройств на биполярном транзисторе приведены на рис. 6.5. Через u_уп и u _H обозначены напряжение сигнала управления и падение напряжения на нагрузке.

Вместо биполярного транзистора VT типа р-п-р в последовательной схеме может быть использован транзистор типа п-р-п (или полевой транзистор). Аналогично может быть изменен тип транзистора в параллельной схеме.

Наибольшее практическое применение в усилителях получили последовательные схемы с включением транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 6.5а). Семейство выходных характеристик такого транзисторного ИУ показано на рис. 6.6.

Транзистор, используемый в качестве усилителя постоянного тока, осуществляет усиление сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительности переходных процессов в самом усилителе. Транзистор работает в активном режиме. При этом рабочая точка А перемещается по нагрузочной прямой, занимая на ней различные положения в зависимости от величины тока базы i_Б (рис. 6.6). Коллекторный ток i_К,он же ток нагрузки i_Н, плавно изменяется в выделенном на рисунке диапазоне. Падение напряжение на нагрузке u_H= i_КR_H = U - u_ЭК зависит от величины напряжения u_ЭК между эмиттером и коллектором транзистора. Для линеаризации входной характеристики транзистора и зависимости i_Н от i_Б в цепь базы транзистора включают балластный резистор, сопротивление которого R_бал>>R_Н.

В импульсных усилителях реализуется так называемый ключевой режим работы (режим переключения) транзистора. В этом случае транзистор может длительно находиться только в двух состояниях: насыщенном и отсечки.

В состоянии насыщения транзистор находится тогда, когда от источника сигнала управления во входную цепь транзистора подается ток i_Б больший, чем необходимо для получения максимального коллекторного тока I_Кmax≈U_И/R_Н. Для насыщенного транзистора обычно U_ЭК <0,1 В.

В состояние отсечки транзистор переводится, когда на базу подается напряжение u_БЭ, обратное для эмиттерного р-п -перехода. В этом случае ток эмиттера очень мал и сопротивление R_ТР = Z_И между выводами эмиттер-коллектор составляет 0,1…10 Мом. Ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода и равен току базы I_Б0 (см. рис. 6.6).

Для обеспечения быстрого перехода транзистора из области насыщения в область отсечки необходимо, чтобы сигналы, подаваемые на базу, были достаточными по величине и прикладывались скачком (имели бы крутые передний и задний фронты). Время включения транзистора может составлять десятые доли микросекунды, время отключения в 2-3 раза больше времени включения.

В паспорте транзистора любого типа указывается допустимая мощность Р_Кдоп, которую он может рассеять на коллекторном переходе, не нагревшись выше допустимой температуры. Эта мощность практически равна произведению U_ЭК I_К. Если на графике выходных характеристик транзистора нанести линию U_ЭК I_Н = Р_Кдоп (гипербола), то она разделит область выходных характеристик на две зоны (рис. 6.6). Выше гиперболы U_ЭК I_К > Р_Кдоп и длительная работа транзистора в этой зоне недопустима. В зоне ниже гиперболы, где U_ЭК I_К < Р_Кдоп, транзистор может работать неограниченное время. Для транзистора, работающего в активном режиме, нагрузочная прямая должна находиться ниже гиперболы U_ЭК I_Н = Р_Кдоп. Для транзистора, работающего в ключевом режиме, нагрузочная прямая может располагаться значительно выше при условии, что точка насыщения и точка отсечки на нагрузочной прямой находятся ниже гиперболы U_ЭК I_Н = Р_Кдоп. В этом случае мощность, выделяемая в нагрузке, может быть увеличена в 2-2,5 раза.

Работа транзистора в ключевом режиме при коммутации электрической цепи аналогична по действию на цепь включению и отключению замыкающего контакта электромеханического аппарата с самовозвратом, например, кнопки управления, реле, контактора и др.