Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный технический университет

им. Н.Э.Баумана

__________________________________________________________________________

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ.

ЧАСТЬ 2.

ТРАНЗИСТОР В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ.

Загидуллин Р.Ш.

Созинов Б.Л.

Шарандин Е.А.

Кафедра РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

__________________________________________________________________________

Москва 2001 год

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Цель работы – изучить физические процессы в биполярном транзисторе при работе в ключевом режиме и освоить методы анализа переходных процессов в ключевых схемах. Задачей работы является освоение методов моделирования работы биполярного транзистора в ключевом режиме на базе программы MICRO-CAP VI, получения количественных оценок изменения токов и напряжений от режима работы транзистора, определение влияния параметров транзистора на переходные процессы, нахождение оптимального режима работы ключевой схемы. По результатам исследований необходимо сформулировать способ расчета ключевой схемы на биполярном транзисторе из условия получения заданных параметров сигнала на нагрузке.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Для коммутации тока в нагрузке используют ключевые элементы, простейшим из которых является механический ключ. Одна из ключевых схем с механическим ключом показана на рис.1, где последовательно соединены источник напряжения Е, резистора R и механический ключ Кл.. В такой схеме необходимо определить ток I в цепи и напряжение U на ключе Кл. в зависимости от его положения (замкнутое или разомкнутое). Неизвестны две величины (I и U), для определения которых необходимо иметь два уравнения.

Одному из уравнений соответствует вольт-амперная характеристика (ВАХ) ключевого элемента, которая указывает зависимость тока I в ключе от приложенного напряжения U. Реальные механические ключи в отличие от идеальных характеризуются конечными сопротивлениями, величины которых зависят от положения ключа.

Когда к разомкнутому ключу прикладывается напряжения U, то через его выводы протекает небольшой ток I из-за неидеальности изолятора, на котором он выполняется. В эквивалентной схеме ключа для учета данного тока подсоединяют параллельно идеальному ключу сопротивление утечки R_ут (рис.1,б). В этом случаи ВАХ разомкнутого механического ключа записывается как

I = U / R_ут (1.а)

В замкнутом положении контакты реального механического ключа обладают небольшим сопротивлением r. Поэтому для замкнутого положения эквивалентная схема реального ключа изображается в виде последовательного соединения идеального ключа и малого сопротивления r (рис.1,б). С учетом того, что R_ут >> r, ВАХ механического замкнутого ключа представляется как

I = U / r (1.б)

Таким образом, ВАХ механического ключа – это семейство из двух прямых линий, выходящих из начала координат с углом наклона, определяемым положением ключа. Типичный ее вид представлен на рис.2.

Второе уравнение для ключевой схемы записывается на основе первого закона Кирхгофа, согласно которому в замкнутом контуре тока сумма ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах контура. Для анализируемой ключевой схемы по данному закону можно записать:

E = U + IR (2)

В системе координат (I,U) уравнение (2) изображается прямой линией, которую называют нагрузочной прямой. Ее положение определяется только внешними параметрами (E и R) схемы и не зависит от характеристик ключа. Как всякая прямая, она может быть построена по двум точкам. Обычно, одну из точек берут на оси абсцисс (I = 0), для которой по уравнению (2) напряжение равно U = E, а вторую — на оси ординат (U = 0), для которой по уравнению (2) ток равен I = Е / R. Отметим, что нагрузочная прямая имеет угол наклона y относительно вертикали, тангенс которого равен R. Поэтому нагрузочную прямую можно построить по известной одной точке и углу наклона.

Для определения тока I и напряжения U, устанавливаемых в схеме строят семейство ВАХ ключевого элемента и нагрузочную прямую, как показано на рис.2. Так как I и U должны одновременно удовлетворять ВАХ ключа и нагрузочной прямой, то координаты точки их пересечения будут соответствовать решению исходной системы уравнений. Графический способ решения системы уравнений (1-2) особенно привлекателен, когда одно из уравнений является нелинейным (как правило, ВАХ) и определение аналитического решения крайне затруднительно или невозможно.

В рассматриваемой схеме при разомкнутом ключе общей точкой является точка 1 (рис.2), для которой напряжение U¹ несколько меньше E. В замкнутом положении ключа общей точкой становится точка 2, для которой напряжение U² несколько больше нуля. Таким образом, при переключении ключа выходное напряжение схемы изменяется от U¹ до U², т.е. амплитуда выходного напряжения равна U_m= U¹ - U². Одной из характеристик ключевого элемента является коэффициент использования напряжения источника питания k_u, под которым понимают отношение амплитуды выходного напряжения U_m к ЭДС источника питания E:

k_U = U_m / E ( 3 )

Нагрузочную способность ключевой схемы оценивают внутренним сопротивлением r_i со стороны ее выхода. Выходное сопротивление схемы с механическим ключом зависит от положения ключа. Когда ключ разомкнут, то из эквивалентной схемы (рис.1б) следует, что при условии R_ут >> R >> r выходное сопротивление равно r_i = R. Если же ключ замкнут (рис.1,в), то выходное сопротивление схемы r_i = r.

Важным параметром ключевого элемента является быстродействие, которое оценивают по времени переключения t_пер. Полное время переключения t_пер определяется суммой времени перехода из разомкнутого состояния в замкнутое t_вкл (называют временем включения) и времени перехода в обратном направлении t_выкл (временем выключения ):

t_пер = t_вкл + t_выкл (4 )

Механические ключи характеризуются высоким коэффициентом использования напряжения источника питания (k_U @1). При этом они имеют относительно невысокую надежностью и низкое быстродействие — обычно частота переключения механических ключей не превышает несколько десятков герц. Существенно большим быстродействием обладают переключатели с ключевыми элементами на транзисторах.

Простейшая ключевая схема, выполненная на биполярном транзисторе, показана на рис.3. В выходной цепи этой схеме последовательно включены источник питания E, резистор R_к и биполярный транзистор, а выходным напряжением служит напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ. Для управления выходным током транзистора (током коллектора I_к) во входной цепи, между базой и эмиттером, последовательно включены два источника напряжений и токоограничивающий резистор сопротивлением R_б. Источник ЭДС Е_бэ в отсутствии импульсного входного напряжения обеспечивает режим отсечки транзистора, когда его коллекторный ток I_к минимален, а выходное напряжение U_кэ максимально («ключ» разомкнут). Импульсный источник напряжения во входной цепи выполняет функцию управляющего сигнала. Появление на базе положительного импульсного напряжения определенной амплитуды переводит транзистор со структурой n-p-n в режим насыщения. При этом в выходной цепи протекает максимально возможный ток, а выходное напряжение U_кэ становится минимальным («ключ» замкнут). В данной схеме транзистор включен по схеме с общим эмиттером, но кроме нее в ключевых схемах может быть также использовано включение транзистора по схеме с общей базой или общим коллектором.

Ток в коллекторной цепи I_к и напряжение на выходе U_кэ определяются, с одной стороны, выходными характеристиками транзистора, а, с другой — нагрузочной прямой. Выходные характеристики транзистора представляют собой семейство зависимостей тока I_к от U_кэ, каждая из которых соответствует некоторому определенному постоянном току базы I_б. Типичный вид семейства выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ, показан на рис. 4.

Рис.4

Используя первый закон Кирхгофа для коллекторной цепи, можно записать, что напряжение между коллектором и эмиттером равно:

U_кэ = E - I_к R_к ( 5 )

Это уравнение нагрузочной прямой, положение которой на графике не зависит от параметров транзистора. Построим ее на плоскости (I, U) по двум характерным точкам поверх семейства выходных характеристик транзистора (рис. 4). Координаты общей точки нагрузочной прямой с одной из выходных характеристик транзистора определяются током базы I_б транзистора. В отсутствии входного импульсного напряжения транзистор находится в режиме отсечки, поэтому в базовой и коллекторной цепях протекает только тепловой ток коллектора I_кбо (рис.3,б). Как известно, тепловой ток I_кбо коллекторного перехода мал (для маломощных транзисторов I_кбо равен единицы мкА и менее), а поэтому выходное напряжение U_кэ ключевой схемы равно:

U¹ = U_кэ ¹ @ E (6)

Для входной цепи по первому закону Кирхгофа можно записать, что

E_бэ = I_б  R_б + U_бэ =I_кбо R_б + U_бэ (7)

Для осуществления режима отсечки транзистора со структурой n-р-n напряжение U_бэ должно быть меньше или равно нулю. Отсюда определяются требования к минимальной величине ЭДС источника смещения E_бэ.min при выбранном транзисторе (I_кбо) и резисторе R_б в базовой цепи. Из (7) следует, что она должна быть:

E_бэ.min ³ I_кбо  R_б (8)

С приходом отпирающего импульса транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещаются в прямом направлении. Так как напряжения на р-n переходах при прямом смещении малы, то в первом приближении транзистор можно представлять в виде эквипотенциальной точки. Поэтому эквивалентная схема ключевой схемы при «замкнутом» ключе выглядит так, как показано на рис.3,в. Из схемы видно, что максимальный ток коллектора, который называют током насыщения транзистора, равен:

I_кн = (E - U_кэ.нас) / R_к @ E / R_к (9)

Таким образом, ток насыщения транзистора не зависит от параметров транзистора, а определяется внешними параметрами ключевой схемы (E и R_к). Этому току соответствует точка 2 на выходной характеристике транзистора (рис.4), которая расположена на границе между активным режимом и режимом насыщения. Данной точке соответствует напряжение насыщения U_кэ.нас, близкое к нулю (для кремниевых маломощных транзисторов U_кэ.нас =0,2 В). В режиме насыщения ток I_б базы транзистора должен быть больше некоторой величины I_бн, которую называют током насыщения базы. Когда ток базы I_б равен току насыщения базы I_бн, то транзистор находится строго на границе активного режима - режима насыщения. В таком режиме ток коллектора связан с током базы через коэффициент усиления b, т. е. I_кн = b I_бн, а ток насыщения базы I_бн определяется как:

I_бн = I_кн / b = E / b  R_к (10 )

Под действием двух (постоянного и импульсного) источников напряжения в базе насыщенного транзистора протекает ток I_б, величину которого можно найти из эквивалентной схемы, представленной на рис.3,б:

I_б = (E₁ - E_бэ) / R_б (11)

и должен быть больше тока насыщения базы I_бн. С учетом (10) и (11) для этого должно выполняться условие

(E₁ - E_бэ) / R_б > E / bR_к (12)

Данное соотношение позволяет определить величину резистора R_б, при которой обеспечивается режим насыщения транзистора при заданных источниках напряжения:

R_б £ b[(E₁ - E_бэ)/E]R_к (13а)

Работу транзистора в режиме насыщения характеризуют степенью насыщения s, под которой понимают отношение тока в базовой цепи к току насыщения базы:

s = I_б / I_бн

В реальных ключевых схемах транзисторы работают со степенью насыщения s=(1,5–3), когда полное время переключения ключевой схемы оказывается близким к минимально возможному. Задаваясь степенью насыщения транзистора s и принимая во внимание разброс величины коэффициента усиления транзистора (b_min - b_max), условие (13а) можно представить в виде:

R_б £ (b_min / s)[(E₁ - E_бэ) / E]R_к (13)

Реальная ключевая схема работает на нагрузку, сопротивление R_н которой конечно. Величина нагрузки R_н определяет выбор резистора R_к в коллекторной цепи транзистора. Когда транзистор находится в режиме отсечки, то сопротивления R_к и R_н образуют делитель напряжения относительно напряжения источника питания. Отсюда напряжение U_н на нагрузке определяется как:

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы