Полупроводниковые усилители

По представлениям современных физиков электрический ток создается свободными электронами, т. е. электронами, не связанными с атомами. В проводниках таких свободных электронов очень много. Когда к проводнику прикладывают электрическое напряжение, свободные электроны проводника образуют электрический ток. Поэтому электрическое сопротивление проводника мало. В диэлектриках же, наоборот, свободных электронов почти нет, все электроны жестко связаны с атомами и, чтобы вырвать их у атомов и создать движение электронов в диэлектрике, требуется приложить очень большое электрическое напряжение. Именно поэтому электрическое сопротивление диэлектриков велико.

Но некоторые вещества, например, германий и кремний, не похожи ни на проводники, ни на диэлектрики. Вернее, они одновременно являются и тем и другим. Их называют полупроводниками.

Большинство электронов в полупроводниках жестко связано с атомами, но все же в них есть электроны, которые при некотором внешнем воздействии тепла, света или электрического напряжения высвобождаются из-под «власти» атомов, причем характерно, что высвобождаются не только носители отрицательного электричества,— электроны, но и носители положительного электричества — так называемые дырки.

Если к полупроводнику приложено электронное напряжение, электроны начинают двигаться к положительному полюсу напряжения, а дырки — к отрицательному. В полупроводнике образуются два тока: электронный и дырочный.

Если к полупроводнику не приложено электрическое напряжение, то перемещение свободных электронов и дырок беспорядочно и они стремятся равномерно распределиться по объему проводника. Это их стремление, характерное вообще для всех частиц материи, носит название диффузии. Но поскольку в проводнике существуют раздельные носители отрицательного электричества— электроны и носители положительного электричества— дырки, то они не могут долго существовать. Действи-

тельно, достаточно свободному электрону наткнуться на нуждающийся в электроне атом (дырку), как он будет захвачен. При этом одновременно исчезнет и свободный электрон и дырка. Такую встречу называют рекомбинацией.

Используя все эти особенности полупроводника (носителей отрицательного и положительного электричества, диффузию и рекомбинацию), оказалось возможным создать кристаллический прибор, способный усиливать электрические колебания.

Полупроводниковый транзистор (рис. 3.4,а) состоит из трех слоев полупроводников с различной проводимо-

Рис. 3.4. Полупроводниковые усилители

стью: крайние — с дырочной, а между ними (так называемая база) — с электронной проводимостью. Схематично такая схема записывается как р = п — р. Следовательно, транзистор имеет два перехода: р - п и п - р. Первый переход (р - п) включен в прямом направлении, т. е. минус к n -области, а плюс к р-области, называемой в этом случае эмиттером. Поэтому через этот переход проходит прямой ток.

Второй переход (п — р) включен в обратном направлении, т. е. плюс к базе (n -область), а минус к р -области, называемой коллектором. Ток через коллекторный переход не должен проходить. Но в данном случае это не так.

Дело в том, что полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т. е. концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе. Поэтому, когда в результате протекания тока через эмиттерный переход в базу

попадают дырки, то их оказывается там так много, что только малая часть из них находит в базе необходимые для рекомбинации электроны. Эмиттер как бы насыщает базу дырками (физики говорят: происходит инжекция дырок в базу). Благодаря диффузии пришедшие дырки начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Но к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, довольно значительное по величине — в десятки раз больше напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, причем полярность коллекторного напряжения такова (на коллекторе минус), что положительные дырки, подойдя к коллекторному переходу, испытывают действие сильного ускоряющего поля, переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса батареи питания. В результате через коллекторный переход проходит электрический ток, несмотря на то, что к нему приложено обратное напряжение.

Но самое главное — это то, что величина коллекторного тока зависит от величины тока эмиттера. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от количества этих дырок. Поэтому, управляя эмиттерным током, можно тем самым управлять и коллекторным током. Налицо эффект усиления. Простейшая схема усилителя изображена на рис. 3.4, б. На вход усилителя от датчика D подается усиливаемый сигнал U_BX.

В цепь коллектора (на выходе транзистора) включена нагрузка R_Н. Батарея U _э подсоединяется в прямом направлении и поэтому эмиттерный р - п переход обладает малым сопротивлением. Батарея U_K подсоединяется в обратном направлении, в связи с чем сопротивление коллекторного п — р перехода имеет значительную величину.

Сопротивление нагрузки R_H при соответствующем подборе напряжения батареи U_K может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя.

Транзистор будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу D(P_BX=I_BX²R_BX) меньше полезной мощности сигнала на выходе, т. е. в нагрузке P_H = I_K²R_H. Коэффициент усиления по мощности будет

где Ρ_Βх — мощность на входе транзистора, мВт; R_Н —мощность на нагрузке, мВт; I_к — ток коллектора, мА; I_вх — ток эмиттера. Ввиду того, что база рассмотренного транзистора является общей для цепи эмиттера и коллектора, такая схема включения называется схемой с общей базой. Основные параметры,

характеризующие усилители с общей базой, показывают, что имеет место усиление по току менее единицы, усиление по напряжению значительно больше единицы. Входное сопротивление мало, выходное сопротивление очень велико и напряжения входного и выходного сигнала синфазны.

Чаще применяется другая схема включения транзистора — схема с общим эмиттером, при котором, кроме усиления мощности, имеет место также усиление тока (рис. 3.4, в). На рис. 3.4, г приведена схема включения транзистора с общим коллектором. Эта схема включения используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению около единицы.

Схемы усилителей на транзисторах внешне аналогичны схемам ламповых усилителей, рассмотренным в предыдущем параграфе. Однако для правильного понимания принципа работы этих схем необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в следующем:

в отличие от электронной лампы транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением;

малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний; поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току, или мощности; коэффициент усиления по мощности k определяется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя;

параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Главным достоинством полупроводниковых усилителей является также большая долговечность, высокая чувствительность, безынерционность.

Транзисторы применяют в схемах бесконтактно переключающихся устройств (рис. 3.5). В этом случае они выполняют две функции: релейного усилителя и переключающего элемента. При отсутствии немагнитной заслонки 2 в зазоре катушек 1 и 3, магнитное поле катушки обратной связи 3 в момент ее подключения к источнику питания Ε наводит ЭДС в катушке 1 колебательного контура с конденсаторами С₁ и С₂, при этом конденсаторы заряжаются таким образом, что на базу транзистора VT1 поступает минус-потенциал и он открывается. Этот ток усиливается транзистором VT2. Как только нарастание тока (магнитного поля) в катушке 3 прекратится, конден-

Рис. 3.5. Транзисторный переключатель

саторы С1 и С2 начнут разряжаться через катушку 1, меняя полярность своих обкладок, и транзистор VT1 закроется. Далее конденсаторы опять начнут разряжаться, меняя полярность обкладок, VT1 опять откроется и т. д. Если же между катушками ввести экран из не-магнитопроводного материала (алюминия), то воздействие магнитного поля на катушку 1 прекратится и система перестанет генерировать колебания. Транзистор VT2 закроется и на выходе появится потенциал U _ΒЫΧ (включено).

Широкое применение в технике получили так называемые тиристоры (управляемые вентили). Тиристоры изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся слоя с про-водимостями ρ и п, которые образуют три электронно-дырочных перехода П ₁, П₂ и П₃ (см. рис. 3.4, д, е). Поскольку каждый переход обладает вентильными свойствами, электрическую схему тиристора можно представить в виде трех последовательно включенных диодов. Эти диоды связаны между собой таким образом, что дырки из области р₁ первого диода могут инжектироваться в область n ₁ второго диода, а электроны из области п₂ третьего диода могут инжектироваться в область р₂ второго диода так же, как это имеет место в транзисторах.

В соответствии с этим средние слои тиристора называют базовыми областями или базами прибора, крайние электронно-дырочные переходы Π₁ и Π₃, включенные в прямом направлении, эмиттерными переходами, а средний переход П₂, включенный в обратном направлении, коллекторным переходом.

Анодом тиристора, к которому присоединяют положительный потенциал источника тока, служит крайний слой p₁, катодом — крайний слой п₂.

Когда к тиристору приложено напряжение U в прямом направлении, при отсутствии напряжения в цепи управления (см. рис. 3.4, д, е) переходы Π₁ и Π ₃ открыты, но вентиль заперт переходом П₂ (между слоями n₁ — р₂), который включен в непроводящем направлении. При этом дырки и электроны, инжектированные из областей n₁ и р₂ в базовые области Π₁ и р₂, не доходят до коллекторного перехода и не оказывают влияния на его сопротивление. Через тиристор в этом случае проходит весьма малый ток утечки I _ут. С увеличением напряжения ток возрастает незначительно, так как он ограничен большим

сопротивлением перехода П₂. Этот режим называется режимом прямого запертого состояния тиристора.

При дальнейшем увеличении приложенного напряжения к аноду A и катоду К происходит процесс зажигания тиристора. Это объясняется тем, что под действием сильного электрического поля в коллекторном переходе П ₂ дырки, инжектированные из области р₁ в базовую область n₁, проходят этот переход и быстро втягиваются во вторую базовую область р₂. Аналогично электроны, инжектированные из области п₂ в базовую область р₂, проходят через переход П₂ и втягиваются в область n₁. При этом резко увеличивается число носителей электричества дырок и электронов, проходящих через коллекторный переход П₂. Происходит лавинный пробой этого перехода и резко увеличивается ток, проходящий через тиристор. Характерной особенностью тиристора является то, что его током можно управлять при помощи управляющего электрода У.

Если на этот электрод У подать положительный потенциал от вспомогательного источника тока, то через переход будет проходить ток управления I _у. При этом электроны будут инжектироваться из слоя п₂ в слой р₂ и суммарный ток I _у+ I _ут превысит ток переключения. Это приведет к открытию тиристора, после чего носители электричества будут свободно переходить через все его четыре области.

Чем больше ток I _у управляющего электрода, тем при меньшем напряжении переключается (открывается) тиристор. После того, как тиристор открылся, он будет удерживаться в открытом состоянии прямым током, проходящим из слоя р₁ в слой n₁, и управляющий электрод перестает влиять на прохождение тока (его можно отключать от вспомогательного источника питания).

При приложении к тиристору напряжения в обратном направлении он закрывается переходами П₁ и П₃ независимо от наличия напряжения на управляемом электроде. При этом через тиристор проходит весьма малый обратный ток утечки, приблизительно равный обратному току закрытых переходов П₁ и П₃

Практически тиристор может быть открыт путем подачи импульса тока на управляющий электрод при любом значении питающего напряжения U. Для того чтобы открыть его, требуется значительный ток I_у, так как в тиристоре возникает так называемый транзисторный эффект: небольшая мощность, поданная в цепь управляющего электрода, управляет во много раз большей мощностью в главной цепи вентиля. Указанный эффект объясняется тем, что слои — n ₂— р₂ — n₁ тиристора образуют как бы транзистор с эмиттерным П₃ и коллекторным П₂ переходами. Поэтому небольшой ток I _у, проходящий по цепи эмиттер — база такого транзистора, приводит к появлению

Рис. 3.6. Тиристорный усилитель

Рис. 3.7. Усилитель серии «Логика-И»

большого тока в цепи коллекторного перехода.

Коэффициент усиления по мощности для тиристоров на токи 100... 150 А составляет около 10⁴... 10⁵.

Чтобы запереть (выключить) тиристор в течение минимального времени, к нему, как это отмечалось, необходимо приложить обратное напряжение. Выключить тири-

стор можно и уменьшением прямого тока, но время запирания в этом случае будет большим (<100 мкс).

Тиристорный усилитель работает в релейном режиме (включено— выключено). Это свойство позволяет использовать его в качестве бесконтактного включающего и выключающего элемента для автоматического управления электродвигателями, муфтами, электромагнитами и другими исполнительными элементами.

Принципиальная схема такого переключающего устройства показана на рис. 3.6.

В этой схеме основными тиристорами являются VT2 и VT3, которые управляются от напряжения питающей сети переменного тока U, а дополнительный тиристор VT1 управляется сигналом управления U_y. Если сигнал управления U_y отсутствует, то на анод тиристора VT1 подается напряжение через фазосдви-гающую цепь C1, R1, это напряжение опережает по фазе напряжение сети и через резистор R2 и диод VD2 подается на управляющий электрод тиристора VT2, который включится, как только положительная полуволна напряжения достигнет определенного значения U_вкл. За время прохождения тока по цепи R_H, R3, VT2 происходит зарядка конденсатора СЗ через диод VD3 за счет падения напряжения на резисторе R3. В отрицательную полуволну напряжения тиристор VT2 отключится, a VT3 включится током разряда конденсатора СЗ по цепи R4, VT3, R3 и по нагрузке R_H проходит переменный ток I _п. Для того чтобы выключить нагрузку (I _н = 0), необходимо на вход тиристора VT1 подать управляющий сигнал, и VT1 включится, зашунтировав управляемый вход тиристора VT2. Диод VD1 включен параллельно тиристору для защиты его от пробоя обратным напряжением.

Основными параметрами, по которым производится выбор тиристора, являются: номинальный прямой ток, напряжение, обратное напряжение и ток управления.

3.4. УСИЛИТЕЛИ ТИПА «ЛОГИКА-И»

Усилительными элементами «Л о г и к а - И» являются элементы И-405 и И-406. Элемент И-405 построен на микросхемах К511. Элемент И-405 содержит шесть усилителей (рис. 3.7, а) с выходами 2, 5, 7, 10, 11, 12, 15. Напряжение питания + 15 В подается на вывод 1 и напряжение +15 В на выводы 3, 8, 13. Входами элемента являются выводы 4, 6, 9, 11, 14, 16. Элемент И-406 построен на тиристорных оптронах. Оптрон содержит в себе источник света и светоприемник (рис. 3.7, б). В качестве источника света обычно используется светодиод VD₁ и VD₂. Светоприемником является фототиристор BLS1 и BLS2. При подаче сигнала управления на усилитель

к клеммам 2 и 5 по цепи 2— VD₁—VD₂— R₁— 5 потечет ток. Световой поток светодиодов VD₁ и VD₂ воздействует на фототиристоры, которые открываются при этом по цепи управления 8 — R_H — BLS1 — BLS2 — 12 потечет ток, т. е. происходит включение. При отсутствии тока управления на входе усилителя (2 —5) ток нагрузки R _н = 0, т. е. цепь управления обесточена.

Весьма важной особенностью такого оптрона является то, что связь между его входом и выходом осуществляется только световым потоком без всяких других электрических цепей.

Достоинством такого усилителя является высокая надежность, способность коммутировать цепи 110 и 220 В с частотой до 3000 срабатываний в 1 ч.

Дата добавления: 2015-08-27