Часть1 (1028410), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Номинальный ток от нескольких миллиампер. Безинерционность и хорошая светоотдача обеспечили современным светодиодам широкое применение в качестве различных индикаторов (начиная от простейших точечных и семисегментныхсимвольных индикаторов и заканчивая цветными дисплеями).Но основное применение этих приборов в САУ - оптронные развязки в линиях связи собъектом вычислительного ядра и плат УСО. При облучении p-n перехода светом в нем образуются пары носителей зарядов и вырабатывается ЭДС (вспомните солнечную батарею).Так устроен фотодиод. Если облучать базовую область транзистора, он может быть переведен в открытое состояние – это фототранзистор.
Сочетание светодиода и какого либо фотоприбора называют оптопарой.На рис.2.12 приведены различные типы оптопар. Диодная оптопара (рис.2.12, а) отличается наибольшим быстродействием, но выходной сигнал ее слаб и требует усиления длядальнейшего использования в качестве дискретного сигнала. Наибольшее распространение вкачестве оптронных развязок получили транзисторные оптопары. На рис.2.12, б) приведенатранзисторная оптопара без базовогоотвода. Типовыми параметрами транзисторной оптопары является ток зажигания светодиода (около 10мА),предельное значение коллекторногонапряжения и тока фототранзистора(около 30В и 30мА) и значение темнового тока фототранзистора, т.е. колРис.2.12. Типы оптопар: а) диодная; б) транзисторлекторного тока, когда светодиод выная без базового вывода; в) транзисторная с вывоключен.
Для компенсации темновогодом от базы фототранзистора; г) симисторная.тока, когда его наличие критично,применяют оптопары с выводом от базы фототранзистора (рис.2.12, в). Подключение базового вывода к земле дополнительно запирает фототранзистор и ограничивает темновой ток.
Симисторные оптопары (рис.2.12, г) навыходе имеют фотосимистор.В оптопарах источник и приемник сигнала гальванически развязаны и могут питатьсяразными уровнями напряжения. Типовое напряжение, которое способна выдержать изоляциямежду входными и выходными линиями оптопары составляет до 1.5 и более кВ. Кроме того,оптопара является хорошей защитой от помех, возникающих от внешних электромагнитныхполей. Для зажигания светодиода требуется достаточно высокая мощность (несколько милливатт) и не всякая помеха в состоянии обеспечить это.
Кроме того, использование в качестве линий связи симметричных витых пар, приводит к взаимному уничтожению ЭДС, индуцированных внешней электромагнитной волной (помехой).Следует помнить, что светодиод, стоящий на входе оптопары является токовым прибором, т.е. питается током, а не напряжением и требует при своем подключении к источникунапряжения балластного резистора (R1 на рис.2.7). Сопротивление этого резистора рассчитывается исходя из напряжения питания цепи UП, падения напряжения на светодиоде UСД иноминального тока светодиода IСД:52RБ =U П − U СД.I СДСиловые приборы с оптронной развязкой широко используют в качестве периферийных компонентов САУ для управления энергетическими потоками. Явно выраженнаятенденция интеграции электронных компонентов привела к созданию интегральных ключейна биполярных и униполярных транзисторах, IGBT-транзисторах.
Это законченные ключи,схемотехнически аналогичные рассмотренным на рис.2.5 и 2.7, со встроенной защитой отиндуктивности нагрузок.Мощные симисторы с оптоизолированным входом, выключаемые снятием входногосигнала, получили название твердотельных реле и широко используются для коммутациинагрузок при частотах срабатывания ниже 1 кГц.Контрольные вопросы.1. Полупроводниковый диод и его характеристики. Диод Шоттки. Примеры применения.2. Биполярные транзисторы. Составные биполярные транзисторы. Применение в САУ.3.
Полевые транзисторы. Применение в САУ.4. IGBT транзисторы. Применение в САУ.5. Тепловой пробой в биполярных транзисторах и равновесие в униполярных.6. Тиристоры и симисторы. Применение в САУ.7. Светодиод, назначение и типы оптопар.2.2. Операционные усилители.Операционный усилитель, это в настоящее время основной прибор для аналоговойобработки информации, как и в системах управления, так и во всех иных сферах.Первый интегральный ОУ μА702, имевший рыночный успех, был разработан Р. Уидларом (США) в 1963 году.
В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. По размерам и цене они практически неотличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУпочти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличаетсявысокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальнымхарактеристикам ОУ, реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многихобластях аналоговой схемотехники.Операционный усилитель (рис.2.13) имеет двавхода, прямой (+in) и инверсный (-in) и выход (out).Кроме того, конечно, каждый усилитель имеет цепипитания.
Питание ОУ бывает двуполярным (+Ucc, Ucc) или однополярным (0, +Ucc). Цепи питанияобычно на схемах не показывают, чтобы не затрудРис.2.13. Операционный усилитель:нять чтение схем. На рис.2.13, а) показано функциоа) функциональная схема;нальное обозначение, а на 2.13, б) – обозначение ОУб) схемотехническое обозначение.на принципиальных электрических схемах.Идеальный операционный усилитель.Для анализа существующих схем и разработки новых вводится понятие идеального ОУ, т.е.такого ОУ, параметры схемы на котором определяются только цепями обратных связей.Идеальный ОУ обладает:1) бесконечно большим дифференциальным коэффициентом усиления по напряжению KU=ΔUвых / (U+in – U-in) (у реальных ОУ от 10 тыс.
до 100 млн.);532) нулевым напряжением смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве входных напряженийвыходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится впределах от 5 мкВ до 20 мВ);3) нулевыми входными токами (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);4) нулевым выходным сопротивлением (у реальных маломощных ОУ от десятков Омдо единиц кОм); под выходным сопротивлением здесь понимается отношение изменения выходного напряжения к изменению выходного тока при изменении сопротивления нагрузки;5) мгновенным откликом на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).Большинство современных ОУ могут считаться идеальными.Основные правила расчета схем на идеальных ОУ.1-е правило. Входные токи ОУ равны нулю.2-е правило.
На выходе ОУ устанавливает такое напряжение, чтобы напряжения напрямом и инверсном входах сравнялись.Рассмотрим расчет схемы включения ОУ на примере инвертирующего усилителя(рис.2.14, а). Входной сигнал через резистор R1 поступает на инверсный вход. Туда же подключен сигнал отрицательной обратной связи, снимаемый с выхода через резистор R2. Поскольку на прямом входе нуль, согласно второму правилу, нуль должен быть и на инверсномвходе. Тогда, поскольку входной ток на инверсном входе (I-in) должен быть равен нулю.
Согласно расчетной схеме рис.2.14, б), для узла наинверсном входе имеем:I R1 = I R 2 ; (0 − Uвх) R1 = (Uвых − 0) R 2..Для выходного сигнала получим:R1Uвых = − Uвх.R1Рис.2.14. Инвертирующий усилитель:Поскольку выходной сигнал инвертируа) схема включения; б) расчетная схемается (см. знак «-»), такой усилитель получилназвание инвертирующего. Резистор R3 компенсирует входной ток по прямому и инверсному входам. Его сопротивление принимаютравным сопротивлению параллельно включенных R1 и R3.
У современных ОУ, особенно выполненных на МОП транзисторах входные токи очень малы и компенсирующий резистор R3не применяют.Инвертирующий усилитель широко используется для усиления аналоговых сигналов.Если усиление на нем не превышает 50…100, никаких проблем с не идеальностью реальныхОУ не бывает. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно R1 и от входногосопротивления ОУ практически не зависит.На рис.2.15, а)..е) приведены различные, широко применяемые в САУ, схемы включения ОУ и расчетные формулы, описывающие связь входных и выходных сигналов. Все этиформулы выведены аналогично предыдущим, исходя из приведенных выше правил. Рекомендуем Вам освоить эти правила и приемы расчетов схем включения ОУ. Для желающихпознакомиться с применением ОУ более детально, рекомендуем прочитать [1].Технологии производства ОУ и отличия реальных схем от идеальных.
Выше были перечислены основные требования к идеальному ОУ. Коротко повторим их: бесконечнобольшой коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи; нулевой входной ток; отсутствие смещения нуля и его температурного дрейфа; нулевое выходное сопротивление;мгновенный отклик на изменение входного напряжения.Прежде всего, отметим, что все идеальное хорошо в меру. При нулевом выходном сопротивлении достаточно на мгновение закоротить нагрузку и ОУ выйдет из строя. Мгновенный отклик на изменение входного напряжения на практике доставляет немало хлопот из-завозбуждения схем на высоких частотах. Пожалуй, наиболее существенными качествами, надостижение которых затрачено много усилий и которые во многом определили прогресс54схемотехнических решений и технологий производства ОУ являются минимальный входнойток и отсутствие смещения и температурного дрейфа нуля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
