Динамо-машины  Статические характеристики элементов 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 [ 82 ] 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127

12. УСТРОЙСТВО ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Для построения полупроводниковых усилителей в качестве управляющих устройств используются полупроводниковые триоды (транзисторы) и тиристоры, изготовляемые из германия или кремния с соответствующими примесями.

Полупроводники отличаются тем, что при сравнительно слабых внешних воздействиях (электрическое поле, температура и пр.) они резко меняют величину своего сопротивления. При этом, как известно, в зависимости от примесей различают электронную проводимость (п-проводимость) и дырочную проводимость (р-прово-димость).

U.-i-

Рис. 150. Устройство плоскостного транзистора:

/ - средняя область; 2 п 3 - внешние области с одинаковым xiipaKTepoM проводимости; 4 - переходные области

Рис. 151. К пояснению эффекта усиления в полупроводниковом усилителе (схемн усилителя постоянного тока с общей базой)

Имеются две основные конструктивные формы транзисторов: плоскостная и точечная.

Плоскостной транзистор (рис. 150) состоит из трех основных областей 1, 2 и 3, отделенных переходными областями 4. Средняя область / обладает проводимостью обратного вида по отношению к внешним областям 2 и 3. Если средняя область обладает п-проводимостью, то транзистор относится к типу р-п-р\ если средняя область обладает р-проводимостью, то транзистор относится к типу п-р-п. Каждая из трех осрювных областей имеет контакт с массивными металлическими выводами. Вывод от средней области называется базой или основанием. Один из выводов от внешних областей называется эмиттером (излучателем зарядов), другой - коллектором (собирателем зарядов). Геометрия областей с одинаковым характером проводимости 2 и 3 различна, и это определяет разницу между эмиттером и коллектором.

Рассмотрим действие усилителя, собранного на плоскостном транзисторе, который включен по схеме с общей базой (рис. 151). Эта схема наиболее удобна для уяснения эффекта усиления. Происходящие в кристалле явления будем рассматривать упрощенно.

Полярности источников напряжения цепи коллектора и источника напряжения смещения Um всегда являются противо-

положными, причем полярность соответствует непроводящему направлению кристалла, а полярность Ucm - проводящему.

На схеме указаны полярности для тран,зисторов типа р-п-р. Следует помнить, что для транзисторов типа п-р-п полярности должны быть изменены на обратные.

Представим себе, что напряжение между базой Б и эмиттером Э равно нулю и в схеме действует только напряжение . Поскольку последнее приложено к кристаллу в непроводящем направлении, сопротивление кристалла между коллектором и базой будет весьма большим и ток 1, в цепи коллектора и нагрузки являющийся выходным током усилителя, будет незначительным по величине, даже если напряжение имеет порядок десятков или сотен вольт. Если между базой и эмиттером приложено напряжение проводящей полярности, то даже при весьма небольшой величине последнего (доли вольта) между эмиттером и базой должен возникнуть ток 1э, который в данной схеме служит входным током усилителя. Но так как одновременно с входным напряжением действует и напряжение излучаемый эмиттером внутрь полупроводника поток зарядов - электронов или дырок - попадает по пути к базе в гораздо более интенсивное электрическое поле между коллектором и базой и увлекается к коллектору. В результате к базе обычно попадает лпшь несколько процентов излучаемых эмиттером зарядов, а большая их часть (более 90%) увлекается коллектором, т. е. в цепи коллектора и нагрузки появляется ток /к, который только на несколько процентов меньше тока эмиттера /д.

Происходит как бы инъекция (впрыскивание) излучаемых эмиттером зарядов в пространство между коллектором и базой, что сопровождается уменьшением сопротивления этого участка и появлением тока в цепи коллектора, несмотря на непроводящую полярность подведенного к нему напряжения.

Поскольку токи эмиттера и коллектора, т. е. входной и выходной токи усилителя, приблизительно одинаковы, а напряжения, действующие в цепи коллектора, из-за большего сопротивления этой цепи могут быть гораздо более высокими, чем в цепи эмиттера, подобная схема может давать усиление по напряжению и по мощности. Малыми изменениями входного напряжения за счет инъекции зарядов удается сильно изменять величину сопротивления между коллектором и базой и вызывать гораздо большие изменения падения напряжения на нем, а следовательно, и на нагрузке Rn- Напряжение смещения выполняет в этих усилителях ту же роль, что и в электронных. Коэффициент усиления тока в схеме с общей базой, выполненной на плоскостных транзисторах обычного исполнения, меньше единицы.

Как видно из сказанного, конструкция транзисторов такова, что они легко переносят любые ускорения, даже беспилотной авиации, и эти ускорения совершенно не влияют на работу усилителей.

Срок службы транзисторов составляет несколько десятков тысяч часов, аварийные выходы транзисторов из строя при достаточной влагозащищенности и соответствующем температурном режиме весьма редки.

Отсутствие накальных устройств сопровождается не только резким уменьшением потребляемой мощности, но и значительным уменьшением габаритов и веса (в 10-20 раз) по сравнению с ламповыми усилителями, поскольку меньшая величина выделяемого тепла требует и меньших размеров для его рассеивания. Возможность применения низких напряжений источника питания сама по себе также является большим достоинством.

Отсутствие накала означает постоянную готовность полупроводникового усилителя к действию. Но при этом следует иметь в виду, что включение усилителя сопровождается нагреванием полупроводника, и в течение того времени, пока его температура не установится (несколько минут), параметры усилителя подвержены значительным изменениям. Это объясняется температурной нестабильностью полупроводниковых усилителей, которая является их главным недостатком.

Изготовляемые в настоящее время транзисторы отличаются большей, чем у электронных ламп, нестабильностью параметров во . времени и большим разбросом параметров от экземпляра к экземпляру. Однако в результате совершенствования технологии эти недостатки довольно быстро уменьшаются.

Для распространенных в автоматике частот сигналов полупроводниковые усилители могут рассматриваться как безынерционные звенья. Лишь на частотах выше нескольких десятков килогерц начинает проявляться влияние межэлектродных емкостей, а также сказывается невысокая скорость диффузии дырок.

13. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Полупроводниковые триоды, как и триоды вакуумные, могут включаться в усилительные схемы тремя различными способами с точки зрения мест подачи входного и снятия выходного напряжения.

Схема полупроводникового усилителя с общей базой (см. рис. 151) соответствует редко применяемой в автоматике схеме электронного усилителя с общей сеткой. Полупроводниковый усилитель с общим коллектором соответствует электронному усилителю с общим анодом - катодному повторителю (см. рис. 134), а схема с общим эмиттером (рис. 152, а) -наиболее распространенной схеме электронного усилителя с общим катодом (см. рис. 132). Переход от одной схемы к другой одинаковым образом видоизменяет параметры усилителя. Так, переход от схемы с общим эмиттером к схеме с общим коллектором для плоскостного