Загальні відомості про підсилювачі

- потужністю стоку (Р_С ≤ Р_С.доп);

другий (літера): Т – біполярні , П – польові;

третій (тризначне число) – класифікаційна ознака за потужністю і частотою;

четвертий (літера) – різновид транзистора цього типу (А, Б, В тощо).

 Приклад:

ГТ905А – германієвий біполярний потужний високочастотний транзистор, різновид типу А.

1.7 Тиристори

1.7.1 Будова та принцип роботи тиристорів

Тиристор – це напівпровідниковий прилад, який:

1) має багатошарову структуру;

2) має ділянку ВАХ з негативним опором;

3) є керованим перемикаючим вентильним приладом.

Тиристор – це чотиришаровий прилад, у якого від однієї з базових областей зроблено вивід – керуючий електрод.

Зображення УГБП тиристора представлено на рисунку 1.32, а його структура наведена на рисунку 1.33.

Рисунок 1.32 – УГБП тиристора

Рисунок 1.33 – Структура тиристора

На рисунку 1.32 поруч з виводами тиристора позначені для зручності розуміння й електроди: анод і катод – як у звичайного діода, керуючий електрод. На принципових схемах дані позначення не наносяться.

Подаючи напругу керування U_кер між керуючим електродом та катодом, можна регулювати напругу вмикання тиристора U_вм, що видно на вольт-амперній характеристиці (ВАХ) (рисунок 1.34).

Рисунок 1.34 – ВАХ тиристора

На рисунку 1.34 присутні наступні величини:

І_вм – струм вмикання;

І_гр – гранично допустимий струм;

І_ут – струм утримання;

U₀ – порогова напруга.

Якщо подати в керуюче коло імпульс прямої напруги, тиристор вмикається і залишається увімкненим після зняття сигналу керування.

Тиристор вимкнеться, якщо І_анода < І_ут.

У колах постійного струму вимикання тиристора здійснюється шляхом вмикання паралельно тиристору попередньо зарядженого конденсатора з напругою, полярність якої зворотна щодо тиристора (примусова комутація).

У колах змінного струму вимикання тиристора здійснюється природно в момент проходження струму через нуль (невимушена комутація) – тому найширшого використання тиристори набули саме у колах змінного струму як напівкеровані електронні перемикачі.

Робота тиристора графічно пояснюється на рисунку 1.35.

Рисунок 1.35 – Робота тиристора:

а – електрична схема; б – часові діаграми

Як видно з рисунку, тиристор починає проводити струм у мить надання імпульсу напруги керування.

α – кут керування тиристором, він може змінюватися теоретично від 0 до 180 електричних градусів. На рисунку 1.35 кут α складає 27 градусів.

Тиристори використовуються для регулювання напруги на навантаженні: чим більше α, тим менше U_Н.

Тиристори мають різновиди, одним з яких є симістор – симетричний тиристор – прилад, який є керованим як при позитивній, так і негативній напрузі на ньому. Умовне позначення симістора наведено на рисунку 1.36.

Рисунок 1.36 – УГБП симістора

Прилад являє собою п’ятишарову структуру. Його параметри подібні до параметрів тиристора.

1.7.2 Основні параметри та маркування тиристорів

Тиристори мають дуже багато параметрів (близько ста). Ми ж наведемо основні з них.

1) Статичні параметри:

- І_вм – струм вмикання;

- І_ут = (0,01…0,7) А – струм утримання – мінімально прямий струм увімкненого тиристора при розімкненому колі керування, при подальшому зниженні якого тиристор переходить у непровідний стан;

- U₀ < 2 В – порогова напруга.

2) Граничні параметри:

- І_гр = (0,1…2000) А – гранично допустимий струм – максимально допустиме значення середнього струму через тиристор за певних умов охолодження;

- U_зв = (1 000…24 000) В – максимальна зворотна напруга.

3) Динамічні параметри:

- t_вм = (1…10 мкс) – час вмикання – час переходу тиристора з непровідного стану у провідний;

- t_вим = (10…500 мкс) – час вимикання – мінімальний проміжок часу між проходженням через нуль прямого струму та повторним прикладенням напруги до тиристора, що не викликає самовільного вмикання приладу – час відновлення запірних властивостей.

Маркування тиристорів здійснюється наступним чином:

1 позиція – літера Т, що вказує на призначення;

2 позиція – літера, що вказує на вид тиристора:

Б – швидкодійний, С – симетричний, Ч – частотний, П – із зворотною провідністю);

3 позиція – три цифри, які характеризують конструктивні особливості;

4 позиція – число, яке відповідає середньому струму в амперах;

5 позиція – клас за напругою, на яку розрахований тиристор;

6 позиція – цифри, які визначають номери груп за швидкістю наростання напруги та часом вимикання.

Приклад:

ТБ133-250-8-52 – тиристор швидкодійний, середній анодний струм 250 А, восьмий клас за напругою, п’ята група за наростанням напруги та друга група за часом вимикання.

1.8 Інтегральні мікросхеми

1.8.1 Переваги та основні параметри інтегральних мікросхем

Інтегральна мікросхема (ІМС) – це виріб, який виконує певну функцію перетворення та обробки сигналу, має велику щільність упакування електрично з’єднаних елементів, що являють собою єдине ціле, виготовлені в єдиному технологічному процесі і розміщені в єдиному, герметизованому корпусі.

Переваги апаратури ні ІМС.

1) Висока надійність і технологічність. Застосування ІМС різко зменшує витрати праці на зборку і монтаж апаратури, зменшує кількість паяних з’єднань, – найменш надійних елементів електронної апаратури.

2) Мала маса і габарити.

3) Низьке енергоспоживання.

4) Скорочення часу на розробку виробу, оскільки застосовуються готові вузли та блоки.

5) ІМС випускаються масово і тому відносно дешеві.

Основні параметри інтегральних мікросхем.

1) Щільність упаковки (кількість елементів N в одиниці об’єму). При N > 1000 ел/см³ ІМС називається великою інтегральною схемою (ВІС).

2) Ступінь інтеграції (кількість елементів у мікросхемі).

По ступені інтеграції ІМС діляться на:

- І ступінь інтеграції – до 10 елементів;

- ІІ ступінь інтеграції – від 10 до 100 елементів;

- ІІІ ступінь інтеграції – від 100 до 1000 елементів і т.д.

ІМС діляться на аналогові(буквене позначення DA) та цифрові(буквене позначення DD). Для аналогових характерною є пропорційність вхідних та вихідних сигналів, на їхній основі будуються підсилювачі та генератори аналогових сигналів. Цифрові мікросхеми застосовуються в електронно-обчислювальних пристроях.

На базі ІМС виготовляють також операційні підсилювачі (розділ 2), логічні та цифрові пристрої (розділ 3). В останні роки створені ІМС, які не втрачають своєї універсальності. Це програмовані ІМС. Користувач може по-різному використовувати такі ІМС, запрограмувавши її функції. До таких ІМС відносяться постійні запам’ятовувальні пристрої (ПЗП), програмовані інтерфейси, програмовані контролери та мікропроцесорні пристрої на базі відповідних комплексів ІМС.

За конструктивно-технологічною ознакою ІМС діляться на напівпровідникові та гібридні.

1.8.2 Напівпровідникові інтегральні мікросхеми

На рисунку 1.37 зображено креслення зовнішнього вигляду стандартної ІМС на 16 виводів. Приклад фрагменту напівпровідникової ІМС показано на рисунку 1.38. На рисунку 1.38, а показана частина електронної схеми, яка складається з резистора, діода та біполярного транзистора, а на рисунку 1.38, б – розріз напівпровідникового кристалу, в товщі якого вміщені вказані схемні елементи.

Рисунок 1.37 – Зовнішній вигляд стандартної ІМС

Рисунок 1.38 – Приклад фрагменту напівпровідникової ІМС:

а – частина електронної схеми; б – розріз напівпровідникового кристалу

Ізоляція елементів один від одного створюється за допомогою р-n переходів подачею на підложку р-типу найбільшого від’ємного потенціалу. Поверхня напівпровідника покрита ізоляційним шаром його окислу, який за своїми властивостями є діелектриком. В потрібних місцях окисел протравлений і поверхня кристалу покрита золотою або алюмінієвою плівкою, яка забезпечує з’єднання між елементами. З’єднання ці виготовляють шляхом вакуумного напилення через маску відповідної форми. Готовий кристал розміщують у герметизованому металевому або пластмасовому корпусі з виводами у зовнішнє коло. З’єднання мікросхеми із зовнішніми виводами здійснюють золотими або алюмінієвими провідниками діаметром близько 10 мкм.

Виготовлення таких ІМС дуже складне. Тому їх випуск може бути налагоджений тільки на великих спеціалізованих підприємствах на базі добре автоматизованої якісної технології. Витрати на розробку нового типу ІМС великі, тому економічно виправдовується лише випуск їх великими серіями по 10⁴ екземпляри і більше. Маса і габарити таких ІМС дуже малі. Щільність упакування елементів в ІМС може досягати до 500 ел/см³ і більше. Середній термін безвідмовної роботи пристрою, який містить 10⁸…10⁹ елементів, досягає 5…10 тисяч годин.

1.8.3 Гібридні інтегральні мікросхеми

Гібридні ІМС створюються на базі плівкової технології. За допомогою плівок товщиною близько одного мікрометра створюються:

- резистори (рисунок 1.39, а) з опором до 10⁵ Ом;

- плівкові конденсатори (рисунок 1.39, б) з ємністю до 10000 пФ;

- дроселі (рисунок 1.39, в) з малою індуктивністю не більше 10 мкГн.

Рисунок 1.39 – Плівкова технологія гібридних ІМС:

а – резистори; б – конденсатори; в – дроселі

Безкорпусні напівпровідникові прилади, конденсатори великих номіналів і магнітні елементи виконуються навісними і приклеюються до плати в певних місцях. Плата з плівковими та навісними елементами розташовується в герметизованому корпусі з певною кількістю виводів.

Масогабаритні показники гібридних мікросхем гірші, ніж у напівпровідникових, але технологія їх виготовлення значно простіша, а вартість розробки менша. Їх можна випускати малими серіями для вирішення локальних задач.

2 Електронні підсилювачі

2.1.1 Структурна схема підсилювача

Електронний підсилювач – це пристрій для підвищення потужності електричного сигналу за рахунок значно більшої потужності джерела живлення.

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє джерело живлення і підсилюючий елемент. Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід підсилюючого елементу і, змінюючи провідність останнього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. В результаті у навантаженні виділяється необхідна величина потужності за рахунок енергії джерела живлення (див. рисунок 2.1). Підсилювальним елементом, як правило, є біполярний або польовий транзистор.

Рисунок 2.1 – Структурна схема підсилювача

На рисунку 2.1 присутні такі позначення:

е_дж – джерело вхідного сигналу;

R_дж – внутрішній опір джерела;

(1)-(2) – вхідні клеми підсилювача;

R_вх – вхідний опір підсилювача, на якому виділяється потужність джерела вхідного сигналу;

е_вих – додаткова електрорушійна сила, за допомогою якої представлені підсилювальні властивості вихідного кола;

R_вих – вихідний опір підсилювача;

(3)-(4) – вихідні клеми підсилювача;

R_Н – навантаження.

2.1.2 Класифікація підсилювачів

Класифікація підсилювачів проводиться за декількома ознаками.

І. За призначенням:

- підсилювачі струму (R_дж » R_вх; R_вих » R_Н – протікання струму необхідної величини у вихідному колі відбувається за малих значень напруги у вхідному та вихідному колах);

- підсилювачі напруги (R_дж « R_вх; R_вих « R_Н – відносно великі зміни напруги на навантаженні забезпечуються при незначних змінах вхідного та вихідного струмів);

- підсилювачі потужності (R_дж ≈ R_вх; R_вих ≈ R_Н – за рахунок чого забезпечується максимальна потужність як у вхідному, так і у вихідному колах).

ІІ. За частотою сигналу, що підсилюється:

- підсилювачі низької частоти (1 Гц … 20 кГц);

- підсилювачі середньої частоти (20 кГц … 1 МГц);

- підсилювачі високої частоти (1 …100 МГц).

ІІІ. За формою сигналу:

- підсилювачі гармонійних сигналів;

- підсилювачі імпульсних сигналів.

ІV. За характером вхідного сигналу:

- підсилювачі постійного струму;

- підсилювачі змінного струму.

2.1.3 Основні параметри та характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими параметрами.

1) Коефіцієнт підсилення:

- за напругою ;

- за струмом ;

- за потужністю .

2) Вхідний опір .

3) Вихідний опір підсилювача R_вих – опір між вихідними клемами підсилювача та вимкненого опору навантаження.

4) Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) , де Р_заг – загальна потужність, що відбирається від джерела живлення.

Найважливішими характеристиками підсилювачів є амплітудна та амплітудно-частотна, наведені на рисунку 2.2 та рисунку 2.3 відповідно.

Рисунок 2.2 – Амплітудна характеристика підсилювача

Амплітудна характеристика – це залежність вихідної напруги підсилювача від вхідної: U_вих = f (U_вх).

На рисунку 2.2 позначено:

аб – робоча ділянка, на якій пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного;

бв – режим насичення (тут з ростом вхідного сигналу ріст вихідного припиняється – підсилювач виходить з лінійного режиму).

(U_вх.min … U_вх.max) – робочий діапазон вхідної напруги.

Нелінійність характеристики при вхідних напругах, менших за U_вх.min, пояснюється наявністю шумових сигналів.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) – це залежність коефіцієнта підсилення К_U від кругової частоти ω

(ω = 2πf; f – частота сигналу, що підсилюється).

На рисунку 2.3 позначено:

К_U0 – найбільший коефіцієнт підсилення;

К_Uf = К_U0 /  – таке зниження підсилення звукового сигналу, що не фіксується чітко вухом людини.

З АЧХ визначають робочий діапазон підсилюваного сигналу – від ω_н до ω_в.

Рисунок 2.3 – Амплітудно-частотна характеристика підсилювача

2.2 Основи роботи підсилювачів

2.2.1 Принципи побудови підсилювачів

У більшості випадків підсилювачі складаються з декількох каскадів, з’єднаних послідовно. Загальний коефіцієнт підсилення

К = К₁·К₂· … ·К_n ,

де К₁ – коефіцієнт підсилення вхідного каскаду (як правило, підсилювач напруги);

К_n – коефіцієнт підсилення вихідного каскаду (підсилювач струму або потужності).

Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, режимом роботи. Але усім їм притаманні загальні принципи побудови. Розглянемо їх на прикладі підсилювача сигналів змінного струму, показаного на рисунку 2.4.

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов