Основные схемы выпрямления переменного тока

Одним из главных применений полупроводнико­вых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования перемен­ного напряжения в постоянное. Выпрямленное на­пряжение еще содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Для обеспечения неизменной величины выход­ного напряжения используется стабилизатор напря­жения. Стабилизатор напряжения удерживает вы­ходное напряжение на постоянном уровне.

Основными параметрами, характеризующими выпрямители, являются: номинальное среднее вып­рямленное напряжение U₀ , номинальный средний выпрямленный ток I₀ и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения k_n.

Коэффициентом пульсаций k_n называется отно­шение амплитуды первой гармоники выпрямленно­го напряжения к среднему значению выпрямленно­го напряжения.

Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного на­пряжения и рассеиваемая мощность.

Трансформаторы, работающие в выпрямителях, ха­рактеризуются действующими значениями токов и напряжений первичной и вторичной обмоток и но­минальной мощностью.

Наиболее распространены три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителя изобра­жена на (рис. 12.1), где Т - трансформатор, VD - по­лупроводниковый диод, a R - нагрузка.

Рис. 12.1

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки по­дан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, и он пропус­кает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через нагрузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис. 12.2).

Сопротивление R_д диода непостоянно: оно опре­деляется крутизной вольтамперной характеристи­ки в каждой точке. Однако при включении после­довательно с диодом нагрузки R_H, сопротивление этой цели становится равным R_Д + R_H , и характе­ристику можно считать линейной (динамическая ха­рактеристика).

Рис. 12.2

Среднее за период значение тока, выпрямленно­го однополупериодным выпрямителем

I₀=I_m/ π (12.1)

где I_m ~ амплитуда тока, а среднее постоянное на­пряжение на нагрузке

U₀ = I₀R_H =U_m/π -I₀R_д (12.2)

Без нагрузки (I₀ = 0) напряжение на зажимах вы­прямителя будет равно среднему за период значе­нию положительной волны синусоиды:

U₀=U_m/ π =0.318U_m=0.45U (12.3)

где U - действующее значение переменного напря­жения. При увеличении тока нагрузки напряжение на ней уменьшается на величину падения напряже­ния на диоде (I₀R_д ).

Во время отрицательного полупериода, когда диод закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обрат­ное напряжение, действующее на диод,

(12,4)

Мы видим, что обратное напряжение на диоде бо­лее чем в 3 раза превышает выпрямленное напряже­ние на нагрузке.

Однополупериодная схема очень редко использует­ся в современных выпрямителях, поскольку вторич­ная обмотка трансформатора работает только полови­ну периода, и поэтому габаритная мощность транс­форматора должна превышать мощность выпрямлен­ного тока примерно в 3 раза. Кроме того, выпрямлен­ное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

На (рис. 12.3) изображена двухполупериодная схе­ма, где Т - трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD₁ и VD₂ - полупроводнико­вые диоды, a R - нагрузка.

Рис. 12.3

Эту схему можно рассматривать как две самосто­ятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD₁ и VD₂ оказывают­ся открытыми в разные половины периода перемен­ного напряжения, и поэтому ток через нагрузку R протекает в обе половины периода, пульсируя с двой­ной частотой (рис. 12.4).

Рис. 12.4

Каждый диод здесь работает как в однополупериодной схеме. Токи диодов складываются, поэтому постоянные составляющие тока и напряжения

(12.5)

(12.6)

Из выражения (12.6) следует, что в отсутствие нагрузки напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя.

В двухполупериодной схеме максимальное обрат­ное напряжение, действующее на каждый диод, находящийся в закрытом состоянии, равно сумме амп­литуд напряжений обеих половин вторичной обмот­ки:

(12.7)

Ток, протекающий через каждый диод, равен:

т. е. по сравнению с однополупериодной в двухполупериодной схеме через каждый диод протекает вдвое меньший ток. Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно ниже.

Двухполупериодная схема довольно часто исполь­зуется на практике. Ее недостатками являются: не­обходимость отвода от середины вторичной обмот­ки трансформатора и неполное использование вто­ричной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.

Мостовая схема выпрямления изображена на (рис. 12.5) и состоит из трансформатора Т и четырех дио­дов: VD₁ - VD_4.

Рис. 12.5

Диагональ AВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD - к нагрузке. Полярность напряжения на вторичной обмотке

изменяется каждую половину периода, в результа­те чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток прохо­дит в течение полупериода A —>VD₁—>С —>R —> D —> VD₃ —>B—>A, а в следующий полупериод по пути В—> VD₂ —> С—>R—>D —> VD₄ —>A —> R

Таким образом, выпрямленный ток идет через на­грузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.

В мостовой схеме выпрямленный ток и напряже­ние имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой, поэтому согласно (12.5) значение выпрямленного тока

а выпрямленного напряжения согласно (12.6):

Без нагрузки (I₀ - 0) напряжение на зажимах вы­прямителя

Особенностью мостовой схемы является отсут­ствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по срав­нению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обрат­ное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки:

( 12.9)

Действующее значение тока, протекающего через Диод,

В мостовой схеме ток через каждый диод идет только в течение одногополупериода, тогда как че­рез вторичную обмотке трансформатора - в течение всего периода. Действующее значение тока, проте­кающего через вторичную обмотку,

(12.10)

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме та­кие же, как и в схеме с отводом от середины вто­ричной обмотки.

Рассмотрим теперь трехфазные схемы выпрям­ления. Простейшая трехфазная схема выпрямле­ния тока с нейтральной точкой изображена на (рис. 12.6а).

А

Б

Рис. 12.6

В этой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора соединяются звездой или треуголь­ником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом слу­чае в каждый момент, выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с за­жимом обмотки, имеющим наибольший положи­тельный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора. Поэтому выпрямленное на­пряжение будет изменяться по кривой, являющей­ся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 12.6) Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положи­тельных полусинусоид напряжения. В нагрузке Е„ токи, походящие через три диода, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме

(12.11)

а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый диод,

(12.12)

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, равно амплитуде линейного напряжения, дей­ствующего в системе вторичных обмоток трансфор­матора, соединенных звездой, поскольку диоды под­ключены анодами к каждой из фаз, а катодами к другой фазе через открытый диод:

Существенным недостатком этой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмот­ки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный магнитный поток. Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора. Трехфазную схему выпрямления с нейтральной точкой применяют толь­ко в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления пе­ременного тока изображена на (рис. 12.7). В ней со­четаются принципы мостовой схемы и схемы мно­гофазного выпрямления. В этой схеме нулевая точ­ка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.

Рис. 12.7

Шесть диодов образуют две группы - нечетную VD₁ , VD₃, и VD₅ и четную VD₂ , VD₄ и VD₆ . У нечет­ной группы катоды соединены вместе и служат точ­кой вывода выпрямителя с положительным потен­циалом, а у четной группы - аноды соединены вме­сте и служат точкой вывода с отрицательным по­тенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вто­ричных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значитель­но уменьшаются. В схеме на (рис. 12.7) в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у кото­рого анод в этот момент имеет наибольший положи­тельный потенциал, а вместе с ним тот диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по аб­солютной величине отрицательный потенциал. Вып­рямленное напряжение будет изменяться по огиба­ющей с двойной частотой пульсаций (рис. 12.8).

Рис. 12.8

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме

(12.13)

Средний ток через диод I_д = I₀ / 3 , причем этот ток проходит через два последовательно включен­ных диода. Обратное напряжение, действующее на каждый диод, здесь также равно амплитудному зна­чению линейного напряжения:

(12.14)

В мощных выпрямителях в основном использу­ется мостовая трехфазная схема. Она получила широкое применение в управляемых выпрямите­лях, в которых, регулируя моменты открывания и закрывания диодов (тиристоров), можно в ши­роких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока.

Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменно­го тока позволяют получать выпрямленное, но пуль­сирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает иска­жения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивнос­ти (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I₀ и переменную i₌ составляю­щие (рис. 12.9). Постоянная составляющая направ­ляется в нагрузку, а нежелательная переменная за­мыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Рис. 12.9

Физическая сущность работы в фильтре конден­сатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный парал­лельно нагрузке, заряжается при нарастании импуль­сов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС само­индукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как не­кие резервуары энергии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отда­ют, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций. Рассмотрим несколько подробнее емкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен кон­денсатор С (рис. 12.10).

Рис. 12.10

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD₁) конденсатор зарядится (рис. 12.11, а), а при убывании выпрямленного на­пряжения полярность напряжения на диоде изме­нится на противоположную, и диод закроется, отклю­чив вторичную обмотку трансформатора от нагруз­ки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 12.11, б).

Когда входной сигнал начинает падать в отрица­тельном направлении, конденсатор разряжается че­рез нагрузку. Скорость разряда конденсатора зави­сит от постоянной времени RC, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени раз­ряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому пос­ле первой четверти периода ток через нагрузку под­держивается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того как кон­денсатор полностью разрядится, начнется следую­щий период синусоиды. На аноде диода опять по­явится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся, и выходное напряжение фактически по­высится.

Рис. 12.11

Чем больше емкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более мед­ленному разряду конденсатора, что повышает выход­ное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденса­тор обеспечивает нагрузку током. Если нагрузка

потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой емкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определя­ется величиной пульсаций, остающихся в постоян­ном напряжении. Величину пульсаций можно уменьшить путем использования конденсатора боль­шей емкости или путем увеличения сопротивления нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки опреде­ляется при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора определяется допусти­мой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конден­сатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжа­ется до максимального значения напряжения вто­ричной обмотки и удерживает это значение в тече­ние всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напря­жение попадает на анод диода. Фильтрующий кон­денсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдер­жать диод, будучи смещенным, в обратном направ­лении, называется импульсным обратным напря­жением диода. Импульсное обратное напряжение ди­ода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вто­ричной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного на­пряжения. Это касается как однополупериодного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя.

К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем макси­мальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя.

Следует отметить, что пиковое значение тока, про­текающего через диод, может во много раз превы­шать ток нагрузки, что опасно для целостности дио­да. Б реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 12.12, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др. , попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформа­тор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂ , в нагрузку не проходят.

При небольших, токах нагрузки успешно работа­ет Г-образный фильтр (рис. 12.12, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 12.12, в), что и делается в переносных радиоприемниках и маг­нитолах. Во многих случаях дроссель заменяют ре­зистором, что несколько снижает качество фильтра­ции, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 12.12, г, д). В наиболее ответственных случаях сгла­живающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 12.12, е).

А Б

В Г

Д Е

Рис. 12.12

Стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение выпрямителя может из­меняться по двум причинам. Во-первых, может из­меняться входное напряжение выпрямителя, что приводит к увеличению или уменьшению выходно­го напряжения. Во-вторых, может изменяться со­противление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.

Многие электрические цепи рассчитаны на рабо­ту при определенном напряжении. Изменения на­пряжения могут влиять на работу цепи. Следова­тельно, выпрямитель должен обеспечивать выходного напряжение постоянной величины независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для того чтобы этого добиться, после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.

Существует два основных типа стабилизаторов на­пряжения: параллельные и последовательные. Их названия определяются методом их соединения с нагрузкой. Параллельный стабилизатор подключа­ется к нагрузке параллельно. Последовательный стабилизатор подсоединяется к нагрузке последова­тельно. Последовательные стабилизаторы более по­пулярны, чем параллельные, так как они более эф­фективны и рассеивают меньшую мощность. Пос­ледовательный стабилизатор также работает в ка­честве управляющего устройства, защищая источ­ник питания от короткого замыкания в нагрузке.

Рис. 12.13

На (рис. 12.13) показана простая регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный ста­билизатор. Стабилитрон соединен последовательно с резистором. Входное постоянное напряжение при­кладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор по­зволяет протекать малому току и поддерживать ста­билитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитро­не равно напряжению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и напряжением ста­билизации стабилитрона.

Цепь, изображенная на (рис. 12.13), обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряже­ния проявляется в виде изменения падения напряжения на резисторе. Сумма падений напряжения должна равняться входному напряжению. Выход­ное напряжение может быть увеличено или умень­шено путем замены стабилитрона и последователь­но включенного резистора.

Ток через нагрузку определяется сопротивлением нагрузки и выходным напряжением. Через последо­вательно включенный резистор течет сумма тока на­грузки и тока стабилитрона. Этот резистор должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабили­зации .

Когда ток через нагрузку увеличивается, ток че­рез стабилитрон уменьшается, и сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позво­ляет цепи поддерживать постоянное выходное на­пряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного напряжения.

Рис. 12.14

На (рис. 12.14) изображена параллельная регули­рующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор VT₁ включен параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.

Для иллюстрации принципа работы последова­тельного стабилизатора рассмотрим переменный резистор, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 12.15). Для поддержания постоянного напря­жения на нагрузке сопротивление R₂ можно изме­нять. При увеличении входного напряжения сопро­тивление R₂ увеличивают, чтобы на нем падало из­лишнее напряжение и напряжение на нагрузке ос­тавалось постоянным

Рис. 12.15

С помощью резистора R₂ можно также компенсиро­вать изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на переменном резис­торе увеличивается. Это приводит к уменьшению паде­ния напряжения на нагрузке. Если в момент увеличе­ния тока уменьшить сопротивление, то падение напря­жения на переменном резисторе останется постоянным. В результате постоянным окажется и выходное напря­жение, несмотря на изменения тока нагрузки.

На практике переменный резистор заменяют тран­зистором. Транзистор включен таким образом, что через него течет ток нагрузки. Путем изменения тока базы можно управлять величиной тока, теку­щего через транзистор. В схему включают дополни­тельные элементы, которые позволяют транзистору автоматически компенсировать изменения входно­го напряжения и тока нагрузки.

Рис. 12.16

На (рис. 12.16) изображен простой последователь­ный стабилизатор. На его вход подается нестабили­зированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряже­ние меньшее по величине. Транзистор включен как эмиттерный повторитель, и поэтому здесь отсутствует обращение фазы между базой и эмиттером. Напря­жение на эмиттере повторяет напряжение на базе. Нагрузка подключена между эмиттером транзисто­ра и землей. Напряжение на базе транзистора уста­навливается с помощью стабилитрона. Следователь­но, выходное напряжение равно напряжению стаби­лизации стабилитрона минус 0,7 В падения напря­жения на переходе база-эмиттер.

Когда входное напряжение на транзисторе увели­чивается, выходное напряжение также пытается уве­личиться. Напряжение на базе транзистора установ­лено с помощью стабилитрона. Если на эмиттере по­является больший положительный потенциал, чем на базе, проводимость транзистора уменьшается. Когда транзистор уменьшает свою проводимость, это действу­ет так же, как установка между входом и выходом большого резистора. Большая часть добавившегося входного напряжения падает на транзисторе, и толь­ко малая его часть увеличит выходное напряжение.

В последние годы вместо стабилизаторов на дис­кретных компонентах все чаще используют стаби­лизаторы на интегральных микросхемах.

Современные стабилизаторы на интегральных мик­росхемах дешевы и просты в применении. Большин­ство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход и земля) и могут быть подсоединены непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интеграль­ных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стаби­лизатора с нужным напряжением нет среди стандар­тных микросхем, можно использовать микросхему стабилизатора с регулируемым напряжением.

При выборе микросхемы стабилизатора необхо­димо знать напряжение и ток нагрузки, а также элек­трические характеристики нестабилизированного блока питания.

12.4. Типы усилителей на транзисторах

Усилители - это электронные цепи, которые ис­пользуются для увеличения амплитуды электрон­ного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразова­ние низкого напряжения в высокое, называется уси­лителем напряжения. Цепь, рассчитанная на пре­образование слабого тока в сильный, называется уси­лителем тока. В современной радиоэлектронике основными усилительными устройствами являют­ся транзисторы.

Для того чтобы транзистор обеспечивал усиление, он должен быть в состоянии принять входной сиг­нал и выдать выходной сигнал, значительно боль­ший, чем входной.

Входной сигнал управляет током, текущим че­рез транзистор. Этот ток в свою очередь управляет напряжением на нагрузке. Транзисторная цепь рас­считана таким образом, чтобы брать напряжение от внешнего источника питания и подавать его на ре­зистор нагрузки в виде выходного напряжения.

Существует несколько способов включения тран­зистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим, эмиттером и. схема с общим коллектором. В каж­дой из этих схем один из выводов транзистора слу­жит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подает­ся напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор-база - в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как c p-n-р, так и с n-p-п транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 12.17) входной сиг­нал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сни­мается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

Рис. 12.17

В схеме с общим эмиттером (рис. 12.18) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмит­тер является общим для входа и выхода. Этот спо­соб включения транзистора используется наиболее широко.

Рис. 12.18

Третий тип соединения (рис. 12.19) - это схема с общим коллектором. В этой схеме входной сигнал подается в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллек­тор является общим для входа и выхода. Эта схема используется для согласования импедансов (импе­дансом называется полное сопротивление цепи пе­ременному току).

Рис. 12.19

В таблице (12.1) приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по на­пряжению, току и мощности для трех схем вклю­чения транзистора.

Таблица 12.1

Тип цели	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Усилие по напряжению	Усилие по току	Усилие по мощности
Общая база	Десятки Ом	Сотни килом – единицы МОм	Несколько сотен	Меньше единицы	Несколько сотен
Общий эмиттер	Тысячи Ом	Десятки – сотни кОм	Несколько десятков	Несколько сотен	Несколько тысяч
Общий коллектор	Десятки – сотни кОм	Десятки – сотни Ом	Меньше единицы	Несколько сотен	Несколько десятков

Отметим, что схема с общим эмиттером изменя­ет фазу входного сигнала на 180°, тогда как схемы с общей базой и с общим коллектором фазу входного сигнала не изменяют.

Как видно из рис. 12.17-12.19, все три схемы усиления требуют двух источников тока. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направ­лении, а переход база-коллектор должен быть сме­щен в обратном направлении. Однако оба напряже­ния смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока.

Поскольку цепи с общим эмиттером использу­ются наиболее часто, мы их опишем более деталь­но. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На (рис. 12.20) изображен транзисторный усили­тель с общим эмиттером, использующий один ис­точник питания. Источник питания обозначен + V. Символ заземления является отрицательным выво­дом источника питания V . Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (R_Б и R_K ) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор R_K , сопротивление нагрузки коллектора, соединен последовательно с коллектором. Когда через коллек­тор течет ток, на резисторе R_K появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R_K и падение напряжения на переходе коллектор-эмит­тер транзистора в сумме должны равняться прило­женному напряжению.

Рис. 12.20

Резистор R_Б, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор R_Б , создает на нем падение напряжения, составляющее большую часть напря­жения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер тран­зистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

Один источник питания может обеспечить необ­ходимые напряжения прямого и обратного смеще­ния. В случае п-р-п транзистора потенциал на базе и коллекторе транзистора должен быть положитель­ным по отношению к эмиттеру. Следовательно, ис­точник питания может быть связан с базой и кол­лектором через резисторы R_Б иR_K . Эту цепь часто называют цепью смещения базы, так как ток базы управляется величиной резистора R_Б и напряжени­ем источника питания.

Входной сигнал подключается между базой тран­зистора и его эмиттером или между выводом входа и землей. Значение входного сигнала либо складывается с прямым смещением на эмиттерном перехо­де, либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, что в свою очередь приводит к изменению падения напряжения на ре­зисторе R_K . Выходной сигнал появляется между выводом выхода и землей.

Цепь, изображенная на рис. 12.20, не обладает хорошей стабильностью, так как она не может ком­пенсировать изменения тока смещения при отсут­ствии сигнала. Изменения температуры приводят к изменению внутреннего сопротивления транзисто­ра, что заставляет изменяться ток смещения. Это сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая его усиление. Этот процесс называется температурной нестабильностью.

Существует возможность компенсации темпера­турных изменений в схеме транзисторного усили­теля. Если часть нежелательного выходного сигна­ла подать на вход цепи, этот сигнал будет противо­действовать изменениям в транзисторе. Этот про­цесс называется отрицательной обратной связью (рис. 12.21).

Рис. 12.21

В цепи, использующей отрицательную обратную связь, базовый резистор R_Б соединен непосредствен­но с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, то ток коллектора и падение напря­жения на резисторе R_K тоже увеличиваются. На­пряжение коллектор-эмиттер уменьшается, умень­шая также напряжение, приложенное к R_Б . Это уменьшает ток базы, что служит причиной умень­шения тока коллектора. Так работает коллектор­ная цепь обратной связи.

Рис. 12.22

На (рис. 12.22) показан другой тип обратной свя­зи. Эта цепь похожа на цепь, изображенную на (рис. 12.21), за исключением того, что последовательно с выводом эмиттера включен резистор R_Э.Резисто­ры R_Б и R_Э и переход транзистора эмиттер-база со­единены последовательно с источником питания V .

Увеличение температуры служит причиной уве­личения коллекторного тока. Ток эмиттера также увеличивается, увеличивая падение напряжения на резисторе R_Э и уменьшая падение напряжения на резисторе R_Б . Ток базы уменьшается, что уменьша­ет как ток коллектора, так и ток эмиттера. Посколь­ку сигнал обратной связи создается на эмиттере тран­зистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.

В цепи этого типа имеет место уменьшение обще­го усиления, поскольку входной сигнал переменно­го тока появляется как на резисторе R_к, так и на резисторе R_Э и на транзисторе. При подсоединении параллельно резистору R_Э конденсатора С_Э (рис. 12.23), сигнал переменного тока обходит резистор R_Э, так как сопротивление конденсатора перемен­ному току существенно меньше R_Э . Этот конденса­тор называют блокировочным конденсатором. Его емкость выбирается таким образом, чтобы выпол­нялось соотношение 1 / ω С_э <<R_Э.

Рис. 12.23

Блокировочный конденсатор устраняет любые быстрые изменения напряжения на резисторе R_Э, благодаря тому, что он обладает низким импедан­сом для переменного тока, удерживает постоянное напряжение на резисторе R_э неизменным, не мешая работе цепи обратной связи, обеспечиваемой R_Э.

Наибольшую стабильность обеспечивает, цепь об­ратной связи с делителем напряжется (рис. 12.24). Эта цепь используется наиболее широко. Здесь ре­зистор R_Б заменяется двумя резисторами, R₁ и R₂ . Эти последовательно соединенные резисторы подключены параллельно источнику питания V . Они делят напряжение питания на два напряжения, об­разуя делитель напряжения.

Рис. 12.24

На резисторе R₂ падает меньшее напряжение, чем на резисторе R₁ . Напряжение на базе по отноше­нию к земле равно падению напряжения на резис­торе R₂. Цель дел<