Релейный режим работы полупроводникового усилителя

В цепях постоянного и выпрямленного тока транзистор можно рассматривать как управляемое активное сопротивление. Пределы изменения этого сопротивления очень широки, что позволяет использовать транзисторы для создания разнообразных бесконтактных электрических аппаратов управления и защиты.

Рассмотрим схему усилителя с общим эмиттером.

В зависимости от тока базы изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором, в результате, изменяется и ток через нагрузку R_н. При отрицательном токе управления –I_у0 через нагрузку протекает минимальный ток I_К0, причем по модулю эти два тока равны. Этот режим называется режимом отсечки.

Если ток управления уменьшить до нуля, а затем увеличивать в положительной области, то ток в нагрузке растет. При токе в базе I_БН наступает режим насыщения транзистора. В этом режиме сопротивление между эмиттером и коллектором мало и ток в нагрузке определяется ее сопротивлением R_н. Ток управления, необходимый для перевода из режима отсечки в режим насыщения называется током переключения I_у.п.

Чем выше коэффициент усиления по току β = ∆I_К / ∆I_Б, тем круче зависимость I_К (I_Б).

Напряжение перехода база-эмиттер в режиме насыщения для кремниевого транзистора составляет 0,6…0,7 В, для германиевого транзистора 0,2…0,3 В. Зная ток нагрузки можно рассчитать сопротивление R_б:

Чтобы транзистор закрылся полностью, необходимо уравнивать потенциалы базы и эмиттера при отключении управляющего напряжения. Для этого используется резистор R_бэ. Обычно его величину выбирают в 10 раз больше R_б.

На активно-индуктивной нагрузке при переходе из режима насыщения в режим отсечки наводится большая ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС может быть настолько большой, что произойдет пробой транзистора. Для снятия таких перенапряжений нагрузка шунтируется диодом.

Для получения релейного режима число усилительных каскадов должно быть не менее двух.

Переход транзистора из одного состояния в другое происходит с задержками времени (от долей до единиц микросекунд). Быстродействие транзисторного ключа зависит от частотных характеристик используемого транзистора.

Вместо биполярного транзистора может быть использован полевой транзистор с изолированным затвором, его затвор изолирован от силовой схемы и управление производится электрическим полем, а ток управления достигает микроампер. Это позволяет, используя один-два транзистора, управлять с их помощью нагрузкой большой мощности (до десятков ампер и сотен вольт).

При работе с высокими напряжениями (выше 1000 В) и большой мощностью применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы). Основное применение IGBT – это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.