Бесконтактные аппараты на полупроводниковых приборах

Бесконтактные аппараты на полупроводниковых приборах

Отредактировано частично. Мешанина в буквенно-цифровых обозначениях.

Необходимо все иметь в латинском представлении.

Этим грешат многие издатели отечественной учебной литературы. 2007-02-15.

          На основе полупроводниковых приборов можно создавать аппараты, которые могут работать как в усилительном, так и в коммутационном режимах. Характеристика аппарата в усилительном режиме – это непрерывная и плавная зависимость выходного параметра от входного (управляющего) сигнала (в отличие от коммутационного режима, для которого характерна скачкообразная зависимость выходного параметра от управляющего сигнала). Полупроводниковые коммутационные аппараты создаются на основе усилителей, в коммутационный режим они переводятся с помощью сильной обратной связи.

          Рассмотрим бесконтактный аппарат, построенный на полупроводниковых триодах – транзисторах. Транзистор имеет три вывода – от эмиттера (поставщика носителей заряда), коллектора (собирателя носителей заряда) и средней части – базы. На рис. 1 показано включение транзистора по схеме с общим эмиттером и его вольт-амперные характеристики.

          По оси ординат отложено напряжение между коллектором и эмиттером U_{к. э}, а по оси абсцисс – ток в коллекторной цепи i_к (в цепи нагрузки R_н). Параметром является ток базы i_б. Направления токов указаны стрелками на рис. 1, а. При i_б = 0 наблюдается отсечка транзистора (запертое состояние), при которой по нагрузке протекает неуправляемый коллекторный ток малой величины. При достаточно большом токе базы i_{б max} наступает другое крайнее состояние транзистора – насыщение. В этом состоянии коллекторный ток принимает максимально возможные значения. При 0<i’_б<i”_б<i_{б max} вольт-амперные характеристики лежат в активной области – между областями насыщения и отсечки.

          Для цепи, состоящей из последовательно включенных транзистора и сопротивления нагрузки R_н, справедливо уравнение баланса напряжений

где R_Т(i) – нелинейное сопротивление транзистора.

          Первый член определяет падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н, второй – падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора. При определённых значениях напряжения источника U_{к. э 0} и сопротивления нагрузки R_н рабочая точка (А) определяется на графике пересечением реостатной характеристики внешней цепи (прямая, соединяющая точки U_{к. э 0} и I₀ = U_{к. э 0}/R_н) с вольт-амперной характеристикой транзистора при заданном токе базы.

          Чтобы построить бесконтактный коммутационный аппарат, необходимо создать такие условия в схеме, при наблюдались бы скачкообразные переходы тока выходного транзистора из режима отсечки в режим насыщения, и наооборот. Режим насыщения будет соответствовать замкнутому состоянию контактов, режим отсечки - разомкнутому. Скачкообразный переход выходного транзистора в режим насыщения соответствует срабатыванию аппарата, а в режим отсечки - отпусканию аппарата. Обычно такие аппараты строятся на основе двухкаскадного усилителя, когда входной сигнал подаётся на базу первого, входного, транзистора, а выходной снимается с коллектора второго, выходного транзистора. Это позволяет при малых входных сигналах снимать большие мощности на выходе усилителя. Применение обратной связи в схеме двухкаскадного усилителя даёт возможность перевести работу усилителя в коммутационный режим.

          Рассмотрим схему, поясняющую принцип действия бесконтактного аппарата с коллекторной обратной связью (рис. 2). С помощью ключа К управляющий сигнал от источника U_б подаётся на базу входного транзистора VТ₁. Величина тока управления i_уп изменяется сопротивлением R_уп, направление - переключателем К. Выходным параметром является ток нагрузки i_н в цепи коллектора выходного транзистора VТ₂. Сопротивление R_св в цепи базы выходного транзистора совместно с сопротивлением R_б даёт возможность обеспечить режим полной отсечки выходного транзистора VT₂ при подаче на его соответствующего положительного потенциала от источника U_вс. Положительная обратная связь (с коллектора транзистора VT₂ на базу транзистора VT₁) осуществляется через сопротивление обратной связи R_{о. с}.

          Как известно, для отпирания полупроводникового прибора обычного типа (p-n-p) необходимо обеспечить направление тока в его базе, указанное на рис. 1 и 2, когда к цепи базы подключен “-“ источника управляющего сигнала. Если ключ управления К (см. рис. 2) перевести правое положение и подать отрицательный потенциал в цепь базы входного транзистора VT₁, то при достаточной величине тока управления i_уп (тока базы) транзистор VT₁ откроется, его внутреннее сопротивление станет небольшим (режим насыщения). Транзистор VT₂ закроется, так как на его базу подаётся положительный потенциал (через открытый транзистор VT₁ и сопротивление R_св). Транзистор VT₂ перейдёт в режим отсечки, а его выходная величина - ток нагрузки i_н - будет минимальной. Если увеличить сопротивление R_уп и снизить ток i_уп до нуля, то транзистор VT₁ останется открытым благодаря обратной связи, предусмотренной в рассматриваемой схеме. Через сопротивления R_н и R_{о. с} на базу транзистора VT₁ будет подаваться отрицательный потенциал и через эту цепь будет обеспечиваться необходимый для поддержания открытого состояния транзистора VT₁ ток в цепи его базы. Транзистор VT₁ закрывается при переводе ключа К в левое положение, когда в цепь его базы будет подан положительный потенциал от источника U_б. При соответствующей совокупности значений U_{к. Э}, U_б, R_уп, R_{о. с} и R_н ток базы транзистора VT₁ может быть близким к нулю и даже может принять отрицательное направление (на рис. 2 указано положительное направление тока i_уп). Тогда транзистор VT₁ закроется, его внутренне сопротивление станет большим, транзистор VT₂ откроется, так как через сопротивления R_доп и R_смщ в цепь его базы будет подан отрицательный потенциал и ток в базе примет положительное направление. Открытый транзистор VT₂ обеспечит надёжное запирание транзистора VT₁. Через небольшое внутренне сопротивление транзистора VT₂ и сопротивление обратной связи R_{о. с} в цепь базы транзистора VT₁ будет подаваться положительный потенциал источника, в результате чего в цепи базы транзистора VT₁ будет протекать запирающий отрицательный ток.