6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt)

Рис. 6.1. Устройство транзи-

стора IGBTи обозначение

его на схеме.

Эти транзисторы выполнены как сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного п-р-п-транзистора. В международной классификации они называются IGBT (insulated gate bipolar transistors). Обозначение таких транзисторов на схеме также подчеркивает их гибридность (рис. 6.1).

Транзисторы IGBT применяются для управления мощными электродвигателями (до нескольких мегаватт). Они имеют рабочее напряжение до нескольких киловольт и рабочий ток до 2-3 килоампер. Алгоритмы управления могут быть очень гибкими. Как правило, они реализуются с помощью микропроцессоров и обеспечивают самые разнообразные режимы работы электродвигателей. Благодаря этому электроприводы на основе транзисторов IGBT применяются все шире.

Транзистор IGBT работает только в ключевом режиме, то есть, он или полностью открыт, или полностью закрыт. Включение и выключение происходит в течение долей микросекунды. Благодаря этому рассеиваемая транзистором мощность не превышает 1-2 киловатт, что составляет очень малую долю мощности нагрузки и обеспечивает к.п.д. двигателя порядка 98%.

В открытом состоянии напряжение коллектор-эмиттер составляет 1-3 В. ВАХ открытого транзистора IGBT похожа на прямую ветвь ВАХ диода.

7. Операционные усилители

Рис. 7.1. Изображение

ОУ на схемах эл. цепей.

Рис. 7.2. Второй вариант изобра-

жения ОУ на схемах эл. цепей.

Операционные усилители(ОУ) - это микросхемы, на основе которых собираются многие стандартные блоки электронной аппаратуры. ОУ - это транзисторные усилители, чаще всего имеющие три каскада. ОУ содержат 2-3 десятка транзисторов.

ОУ имеет два входа - инвертирующий, который на схемах отмечается маленьким кружком или знаком "–", инеинвертирующий, иногда отмечаемый знаком "+". На схемах ОУ обозначаются так, как показано на рис. 7.1 и рис. 7.2. На этих же рисунках показано подключение питания, нагрузки и входного напряжения. ОУ обычно питаются от двух одинаковых источников постоянного напряжения от 3 до 15 В. Потенциал средней точки этих источников считается нулевым, от него отсчитываются все другие потенциалы схемы на ОУ (рис. 7.1, 7.2). Цепи питания ОУ чаще всего на схемах не изображаются.

ОУ - дифференциальные усилители, то есть напряжение на выходе пропорционально разности потенциалов входов:, гдеk-коэффициент усиления, число порядка десятков или сотен тысяч.

Часто рассматривают модель, называемую идеальным ОУ. При этом принимают следующие допущения:

1. Коэффициент усиления идеального ОУ настолько велик, что в расчетах его можно считать бесконечным: ;

2. Входные сопротивления идеального ОУ бесконечны: ;

3. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю: ;

4. Полоса пропусканияидеального ОУ бесконечна (нет частотных ограничений). Это в том числе означает, что входной сигнал мгновенно проходит на выход.

5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала(т.е. сигнала одной полярности, поступающего сразу на оба входа) бесконечен. То есть, идеальный ОУ усиливает именно разность напряжений на входах, и ничего больше. Вследствие этогонапряжение смещенияидеального ОУ равно нулю (для реального ОУ это напряжение нужно подать на вход, если мы хотим обеспечить нулевое напряжение на выходе).

6. Параметры идеального ОУ постоянны во времени, они не зависят от температуры и других физических факторов.

Из этих допущений вытекают следствия:

1. Входные токиравны нулю:;

2. Входное напряжениенастолько мало, что в расчетах его можно считать равным нулю:.

Перечисленные свойства идеального ОУ применяются для анализа схем на ОУ. При более детальном рассмотрении учитываются свойства реальных ОУ.

Реальные ОУ имеют встроенные или внешние элементы частотной коррекции- обычно это конденсатор или конденсатор с резистором. Они служат для уменьшения искажений высокочастотных сигналов, а также предотвращаютсамовозбуждение ОУ, превращающее его в генератор высокочастотных колебаний.

Для той же цели устранения возможности самовозбуждения ОУ полосу пропускания реального ОУ специально ограничивают частотой порядка 1 МГц, делая спадающую амплитудно-частотную характеристику. То есть, коэффициент усиления реального ОУ уменьшается с ростом частоты. Скорость изменения выходного напряжения реального ОУ всегда ограничена.

Многие ОУ имеют выводы для подключения подстроечных резисторов, служащих для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом напряжении на входе и для коррекции дрейфа нуля- медленно растущего смещения выходного напряжения относительно входного.

В схемах с ОУ большую роль играет отрицательная обратная связь. Она образуется тем или иным соединением инвертирующего входа с выходом ОУ. Без отрицательной обратной связи по постоянному току работа ОУ неустойчива, и он обязательно попадает врежим насыщения, при котором напряжение на выходе максимально по абсолютной величине (по знаку оно может получиться любым). Рассмотрим несколько схем на ОУ.

Рис. 7.3. Повторитель

напряжения.

Повторитель напряжения(рис. 7.3). Так как напряжение между входами ОУ равно нулю, то выходное напряжение равно входному:. Если мы предположим, что выходное напряжение стало, например, чуть больше входного, то потенциал инвертирующего входа станет больше потенциала неинвертирующего входа, что вызовет отрицательное напряжение между входами ОУ, и вследствие этого произойдет уменьшение напряжения на выходе. Точно так же благодаря обратной связи будет скомпенсировано случайное уменьшение выходного напряжения. Повторитель напряжения не меняет напряжение, но позволяет нагрузке отбирать ток от выхода, в то время как источник сигнала ток практически не отдает.

Рис. 7.4. Неинвертирующий

усилитель.

Неинвертирующий усилитель(рис. 7.4). Он отличается от повторителя напряжения только тем, что на инвертирующий вход подается не все выходное напряжение, а только его часть, снимаемая сделителя напряженияR₁R₂:

,

где i- ток, текущий в последовательно включенных резисторахR₁иR₂.

По закону Ома , откуда

.

Так как этот усилитель не меняет знак напряжения, он называется неинвертирующим. Как иповторитель напряжения, неинвертирующий усилитель обладает очень большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Рис. 7.5. Инвертирующий

усилитель.

Инвертирующий усилитель(рис. 7.5). Неинвертирующий вход ОУ "заземлен" через резисторR₃, и потенциал его примерно равен нулю. Поэтому (т.к. напряжение между входами ОУ равно нулю) потенциал инвертирующего входа тоже должен быть равен нулю ("виртуальная земля"). Вход ОУ почти не потребляет ток, поэтому токи резисторовR₁иR₂одинаковы и равныi_вх., потенциал входа равен, потенциал выхода равен, откуда

.

Рис.7.6. Сумматор.

Так как этот усилитель изменяет знак напряжения, он называетсяинвертирующим. РезисторR₃служит для компенсации влияниявходных токов смещения. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равноR₁. (Знак "–" получается оттого, что стрелки напряжения и тока резистораR₂направлены в разные стороны.)

Сумматор(рис 7.6). Это инвертирующий усилитель с несколькими входами, для простоты рассмотрим два входа. По 1 закону Кирхгофа

.

Выразив напряжения резисторов через токи и подставив их в последнее уравнение, получим:

,

откуда .

То есть, на выходе получается сумма входных напряжений, взятых с заданными коэффициентами. Сумматор на основе ОУ лежит в основе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего цифровые коды в аналоговые сигналы.

Рис. 7.7. Интегратор.

Интегратор (рис. 7.7). Резистор R₂ нужен для задания отрицательной обратной связи по постоянному току, чтобы усилитель не ушел в насыщение. Сопротивление R₂ выбирают достаточно большим, чтобы ток через него был пренебрежимо малым по сравнению с током конденсатора в заданном частотном диапазоне. Поэтому мы ток резистора R₂ учитывать не будем.

Тогда через конденсатор будет течь ток входа i_вх. Из уравнений резистора и конденсатора

,

получаем: .

Рис. 7.8. Компаратор.

То есть, напряжение на выходе равно интегралу от напряжения на входе, умноженному на заданный коэффициент.

Компаратор (рис. 7.8). Он служит для сравнения входного напряжения с заданным напряжением u₀. Если u_вх. > u₀, то u_вых. = + u_макс.; если u_вх. < u₀, то u_вых. = – u_макс., где u_макс. - максимальное напряжение на выходе усилителя. Это редкий случай, когда ОУ используется без обратной связи и работает в режиме насыщения. В качестве компараторов обычно используют специальные ОУ с большим быстродействием.