Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

Запираемые приборы более удобны для практики, но радиолюбители тем не менее широко используют и классические тиристоры в автоматах световых эффектов, светомузыкальных установках и др. Тиристоры в этих устройствах включаются последовательно с нагрузкой, и переменное напряжение закрывает эти приборы при спадании до нуля.

Одно из главных достоинств тиристоров — возможность пропускать через себя большие токи и выдерживать десятикратные токовые перегрузки. Например, мощный импортный тринистор ST70 °C20L0 (выпускается фирмой International Rectifier) допускает пропускание через себя тока с постоянным значением до 2000 А и кратковременными перегрузками до 13200 А. Возможности широко распространенных тиристоров серий КУ202 и КУ208 намного скромнее — максимальный постоянный ток до 10 А при максимальном напряжении между электродами до 400 В. Благодаря своей низкой цене эти тиристоры наиболее широко используются в радиолюбительских конструкциях, а в промышленном оборудовании ставят более надежные и мощные из серий Т122-25 (на 25 А), Т132-40 (на 40 А).

Следует запомнить, что некоторые тиристоры не допускают приложения к своим электродам обратного напряжения, а некоторые — его вполне хорошо «держат». В любом случае при разработке конструкции или при подборе аналогов нужно обращать внимание на это обстоятельство. Если под рукой не найдется подходящей замены, можно изготовить диодный мост и исключить подачу отрицательного напряжения на прибор.

Конечно, тиристоры по сравнению с современными транзисторами, работающими в ключевом режиме, обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их область применения (например, низкое быстродействие, из-за чего не могут работать на частотах более 10…100 кГц), но пока они значительно дешевле и обладают высокой надежностью (намного выше, чем у механического ключа, так как при переключения нет искрения), чем и объясняется широкое использование таких компонентов.

Однопереходные транзисторы

Лишних извилин не бывает.

В арсенале разработчиков схем присутствует и несколько необычный транзистор, называемый однопереходным (в зарубежной литературе его называют еще двухбазовым диодом). Такой элемент имеет нелинейную выходную характеристику, на которой есть участок с отрицательным сопротивлением, рис. 13.6 (отрицательным называют такое сопротивление, у которого при увеличении напряжения ток уменьшается, т. е. все наоборот по отношению к тому, как должно быть по закону Ома). Это свойство позволяет использовать такой транзистор в схемах генерации импульсов.

Рис. 13.6. Обозначение на схеме однопереходного транзистора и его вольт-амперная характеристика

В качестве примера на рис. 13.7 показан практический генератор на «однопереходнике» вместе с диаграммами напряжений в контрольных точках.

Рис. 13.7. Практическая схема применения однопереходного транзистора (а) и поясняющие работу диаграммы напряжений (б)

Так как обычно частота таких генераторов не выходит за звуковой диапазон, то подключив параллельно с конденсатором С1 пьезоизлучатель, мы можем сигнал услышать (звуковой излучатель с маленьким сопротивлением, например, динамик можно включить вместо резистора R3).

В чем заключается преимущество таких схем по сравнению с генераторами, выполненными на обычных транзисторах или микросхемах? Основных достоинств всего четыре, но зато какие!

Первое, что сразу бросается в глаза, — для выполнения генератора требуется минимальное число дополнительных элементов, к тому же все они могут быть малогабаритными.

Второе преимущество — это способность схемы формировать на выходе импульс с большим током, доходящим до единиц ампер. Такие импульсы нужны для электронного управления некоторыми компонентами, например мощными тиристорами или для запуска автогенератора в импульсном источнике питания (последнее применение можно встретить во многих схемах источников питания отечественных телевизоров).

Третье достоинство — генератор легко синхронизировать с частотой питающей сети, для чего достаточно подать на питание схемы не постоянное, а пульсирующее напряжение (эта возможность часто используется в импульсных регуляторах).

Четвертое: малый ток потребления даже при большом выходном импульсном токе. Чтобы понять, почему так происходит, давайте более подробно рассмотрим работу генератора импульсов. В момент включения схемы транзистор VT1 заперт и происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1 до порогового уровня, при котором у транзистора открывается переход эмиттер-база 1 (в этот момент он резко уменьшает свое сопротивление — точка А на графике).

Через открытый переход и нагрузочный резистор R3 конденсатор С1 быстро разряжается, отдавая всю накопленную в течение продолжительного времени энергию. Вместо R3 можно установить управляющую часть оптрона или обмотку импульсного трансформатора. Резистор R2 ограничивает прямой ток через транзистор в то время, когда он имеет открытый переход.

Частота такого генератора определяется по формуле:

где k = 0,22…1,61 — коэффициент, зависит от типа применяемого транзистора и связан с формой его выходной характеристики (рис. 13.6).

Знакомство с аналоговыми микросхемами

Мы берем на хранение чужие мысли и знания, только и всего. Нужно, однако, сделать их собственными.

C простыми усилителями электрических сигналов, построенными на одном-двух транзисторах и некоторых микросхемах, вы уже успели познакомиться и теоретически, и практически по первой книге. Для того чтобы улучшить параметры усилителей сигналов, пришлось схемы усложнять, вводить многокаскадные решения, совмещать разные типы схем, оптимизировать их. В процессе разработок, — а произошло это в конце 50-х гг. XX в. — выяснилось, что возможно заключить несколько транзисторов в отдельный корпус, сделать выводы от нужных точек схемы и предоставить потребителю уже почти готовое устройство, для работы которого достаточно подключать небольшое число дополнительных элементов. Так появились интегральные микросхемы. Их внедрение позволило значительно уменьшить размеры конструкций и снизить их стоимость. Ведь микросхема часто стоит намного дешевле, чем та же самая схема, собранная из дискретных компонентов. Но микросхема — это не простой перенос дискретных элементов в один корпус. Технологически выполнять такое сложно и невыгодно. Во всяком случае времена, когда так делали, уже давно прошли. Обычно на одном кристалле изготавливают специально оптимизированные схемы, в которых можно обойтись без внутренних конденсаторов и с минимальным числом резисторов. Сами резисторы делают как источники стабильного тока на полупроводниках.

Сегодня в технике усиления и преобразования сигналов широко используется разновидность универсальных аналоговых микросхем — операционный усилитель (ОУ). Этот вид микросхемы появился в 60-х гг. XX в. и первоначально предназначался для создания аналоговых электронно-вычислительных машин, устройств обработки радиолокационной и гидроакустической информации и других автоматических высокоточных устройств. На основе операционного усилителя были разработаны типовые схемы, благодаря применению которых можно осуществлять простейшие математические операции: сложение, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование. Современная элементная база позволяет получать точность преобразований до 0,1 %.

Наращивая схемы из таких блоков, как из детского конструктора, удавалось обрабатывать сложные сигналы, преобразовывать информацию, заключенную в них. Ныне любые сигналы подвергают математической обработке уже другими методами, о которых рассказывает глава «Логика для цифрового мира».

А операционные усилители, по сути представляющие собой усилители постоянного тока, до сих пор широко выпускаются, но используются в другом качестве. На их основе можно создавать широкополосные усилители, фильтры, генераторы колебаний разной формы, элементы стабилизации, измерительные усилители и еще множество других интересных устройств. Мы не сможем рассказать о всех применениях ОУ, но основные схемотехнические идеи приведем обязательно.

Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).