labnik2 (520480), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

При быстром закрывании транзистора ток индуктивности не может мгновенно стать равным нулю. В результате, благодаря самоиндукции на стоке транзистора возникает перенапряжение. При этом формируется положительный перепад напряжения на выходе схемы – фронт (t^0-1). Перенапряжение на стоке может закончиться пробоем транзистора. Для исключения такого эффекта в схему введен охранный диод VD – при возникновении перенапряжения он открывается и отводит ток индуктивности от стока транзистора, замыкая его на шину питания. Транзистор закрылся, но индуктивность L продолжает расходовать накопленную ранее энергию: - в цепи L – VD протекает ток - идет стадия “восстановления”.

Работа ключа - рассмотрение с учетом его инерционнсти.

МОП- транзистор (рис. 4.3, а) работает в режиме большого сигнала. Входное напряжение изменяется так, что транзистор переходит из закрытого состояния в открытое, включенное и наоборот. При скачкообразном изменении входного сигнала ток стока и напряжение стока изменяются с конечной скоростью, что обусловлено инерционностью транзисторного ключа, связанной с конечной длительностью установления электрического поля в канале транзистора, конечным временем пролета электронов через канал (_S) и конечным временем перезарядки емкостей затвор-исток, затвор-сток, сток-исток транзистора. В соответствии с этим в схему замещения модели ключа (рис. 4.3, б) введены емкости C_ЗИ, C_ЗС, C_СИ и дифференциальное сопротивление выходной характеристики r_СИ. Генератор тока Y₂₁U_ЗИ, где Y₂₁= dI_С/dU_ЗИ = b(U_ЗИ – U_O) – крутизна прибора, эмитирует управление транзистором по цепи затвора.

Наличие емкости нагрузки C_Н, если она есть, может дополнительно увеличивать время установления напряжения на выходе ключа. Будем считать, что C_Н = 0. Отыскание точного аналитического решения для переходного процесса представляет сложную задачу, тем более что параметры, входящие в модель, сами зависят то токов и напряжений в схеме, т. е. модель является нелинейной. Ниже представлены приближенные решения для отдельных этапов процесса переключения транзистора. На каждом этапе, исходя из физических соображений, транзистор представляется простой моделью, имеющей несложное математическое описание.

Анализ процесса включения транзистора.

Длительность времени задержки включения (t_{ЗД ВКЛ}). Пусть в исходной позиции транзистор VT закрыт (Рис. 4.4, а) – напряжение на его затворе U _ЗИ = 0 и меньше напряжения отсечки, ток I_СТ = 0, напряжение U_СИ = E_ПИТ. Рабочая точка находится на семействе выходных характеристик в положении “A” (Рис. 4.5).

При поступлении на вход схемы идеального прямоугольного положительного импульса E_Г начнется процесс заряда емкости C_ЗИ через резистор R_Г’. При достижении U_ЗИ = U_ОТС транзистор VT открывается, попадает в активную область характеристик, возникает ток стока – время задержки закончилось:

t_{ЗД ВКЛ} = _{ВХ 1} ln (E_Г’/ (E_Г’ - U_ОТС)), (4.1)

где _{ВХ 1} = R_Г C_ЗИ.

Длительность фронта включения транзистора (t^1-0) (Рис. 4.4). Эта длительность определяется временем нахождения транзистора в активной области своих характеристик. Схема замещения ключа для этой стадии представлена на рис. 4.6, а, и ниже даны уравнения Кирхгофа для точек “з” (затвор) и ”с” (сток).

Рис. 4.5. Перемещение рабочей точки по семейству выходных характеристик транзистора: 1 – в отсутствии резистора Rн1; 2 – при наличии резистора Rн1 (начиная с точки D).

I_Г’ =I_{C ЗИ} + I_{C ЗС},

или (E_Г’ - _З)/R_Г’ = C_ЗИ d _З/dt + C_ЗС d(_З - _С )/dt (4.2)

I_L = I_C = – I_{C ЗС} + ₂₁d_З + Ir_S + I_{C СИ},

или C_ЗС d (_З - _С )/dt + L d_С/dt = ₂₁d_З + _С/R_СИ+ C_СИ d_С/dt. (4.3)

Фронт включения относительно короткий, и за это время, можно считать, ток индуктивности (I_L = L d_С/dt) , практически, не изменится, т.е. останется равным нулю (I_L = 0).

. Предположим, что емкость C_СИ относительно мала, и ее током можно пренебречь. В таком случае комбинация уравнений (4.2) и (4.3) позволяет записать

(E_Г’ - _З)/R_Г’ = d _З/d t (C_ЗИ + C_ЗС (1 + K_U )), (4.4)

где K_U = – ₂₁ r_СИ – коэффициент усиления каскада по напряжению
(K_U  100 ). Это - известный эффект Миллера, заключающийся в значительном увеличении входной емкости инвертирующего усилительного каскада за счет действия обратной связи через емкость C_ЗС. Он приводит к существенному увеличению эффективной входной емкости каскада и, соответственно, – постоянной времени _{ВХ 2}= R_Г’ (C_ЗИ + C_ЗС (1 + K_U )). Поскольку _{ВХ 2}  _{ВХ 1} можно считать, что за время формирования фронта t^1-0 напряжение на затворе транзистора (Рис. 4.4, а) изменяется крайне незначительно (U_ЗИ  const). Это облегчает проведение оценочного расчета длительности t^1-0.

Действительно, поскольку U_ЗИ  const., то I_{C ЗИ} = C_ЗИ d _З/dt  0. Следовательно, можно оценочно ! считать, что весь ток генератора импульса E_Г’ идет на перезарядку емкости C_ЗС, и это определяет длительность фронта t^1-0 (Протекание токов показано на
рис. 4.6, а пунктиром):

(E_Г’ - _З)/R_Г’  C_ЗС d U_ЗС/dt  C_ЗС dU_СИ/dt . (4.5)

Решение уравнения (4.5)для малых времен дает

t^1-0  C_ЗС U_СИ / ((E_Г’ - _З)/R_Г’) (4.6)

Решение (4.6) можно уточнить, если учитывать емкость C_СИ!

Реально наблюдается фронт t^1-0 с быстрой и медленной составляющими. Это связано с зависимостью C_ЗС от напряжения U_СИ (см. рис. 4.2, а). Если потенциал стока выше потенциала затвора, то емкость C_ЗС относительно мала, хотя изменяется значительно (в оценочных расчетах можно взять среднюю величину). В это время формируется быстрая часть фронта t^1-0. При напряжении на стоке меньшем, чем напряжение на затворе (U_О), емкость C_ЗС уже мало изменяется с напряжением, но значительно возросла. В таком случае формируется медленный спад. Это и определяет наблюдаемую форму фронта t^1-0 .

Реально ток индуктивности I_L также может несколько возрасти за время фронта. Это изменение можно оценить в соответствии с выражением I_L =L dU_L /dt, где U_L = E_ПИТ, и оценить погрешность вычислений.

По окончании фронта t^1-0 эффект Миллера закончится, транзистор VT полностью откроется, но напряжение на затворе U_ЗИ вновь начнет нарастать до величины E_Г’ с постоянной времени _{ВХ 3} = R_Г’ (C_ЗИ + C_ЗС).

Этап нарастания тока в индуктивности.

Транзистор открылся, имеет очень малое сопротивление (R_{СИ ОТКР}  0,3 Ом), однако ток стока, практически, останется равным нулю (I_С = I_L  0), поскольку индуктивность нагрузки (L) препятствует мгновенному изменению тока. Напряжение на выходе уменьшилось до величины
U_ВЫХ = U_ост  0 . Рабочая точка находится в положении “B” (Рис. 4.5). Схема замещения ключа, отражающая этот момент времени, дана на
рис. 4.6, б. Здесь транзистор представлен схемой замещения для открытого состояния. Ток транзистора (I_С = I_L) начнет нарастать (рис. 4.4, в) в соответствии с уравнением

.

E_ПИТ =L dI_С / dt + I_С (R_Н + R_LS + R_{СИ ОТКР}), (4.7)

что приведет к решению

I_С = I_{СТ MAX} (1 – exp (-t /)), (4.8)

где  = L / (R_Н + R_LS + R_{СИ ОТКР})  L / R_Н,

I_{С MAX} = E_ПИТ / (R_Н + R_LS+ + R_{СИ ОТКР}).

Если длительность импульса запуска T_И  3, то переходной процесс нарастания тока, практически, завершится (I_С = I_{С MAX}), рабочая точка займет положение “C” (рис. 4.5), и в схеме установится стационарное включенное состояние транзистора. Если T_И  3, то положение “C” соответствует нестационарному включенному состоянию транзистора.

Этап выключения ключа.

Длительность времени задержки выключения (t_{ЗД ВЫКЛ}). Запускающий импульс E_Г’ закончился. Генератором запускающих импульсов сформирован отрицательный перепад напряжения E_Г’ 0
(Рис. 4.4, а). Напряжение на затворе ключа начнет уменьшатся с постоянной времени _{ВХ 3} вплоть до попадания транзистора в область активных характеристик, когда начнет формироваться фронт закрытия транзистора. В этот момент возникает эффект Миллера, и напряжение U_ЗИ практически перестает изменяться.

t_{ЗД ВЫКЛ}  _{ВХ 3} ln (E_Г’/ (E_Г’ – U )). (4.9)

Длительность нарастания выходного напряжения (t^0-1). Процессы при формировании этого фронта напряжения аналогичны процессам, рассмотренным при формировании фронта t^1-0 – отличие в том, что ток затвора транзистора является вытекающим! Tок стока транзистора начинает уменьшаться (-Y₂₁dU_ЗИ), а ток индуктивности L остается прежним!. В первом приближении увеличение напряжения U_СИ связано, в основном, с зарядом емкости C_ЗС током, протекающим в цепи: источник тока Y₂₁dU_ЗИ - C_ЗС – генератор E_Г’ (Рис. 4.6, в ).

Здесь также наблюдаются две стадии фронта t^0-1 – медленная и быстрая, и они также связаны с разной величиной емкости C_ЗС. Длительности как быстрой, так и медленной составляющих фронта можно ориентировочно оценить, используя соотношение аналогичное (4.6)

t^0-1  C_ЗС U_{С ЗС} / (U_ЗИ/R_Г’) (4.10)

Ток индуктивности I_L, практически, изменяется мало за время фронта, однако это изменение можно оценить в соответствии с выражением U_L =L dI_L /dt, где U_L = E_ПИТ.

Необходимо обратить особое внимание, что в момент окончания формирования фронта t^0-1 рабочая точка транзистора находится в положении “D” (Рис. 4.5 ) – через транзистор протекает максимальный ток и одновременно - напряжение U_СИ максимальное. На транзисторе выделяется максимальная мощность, что может привести к выходу его из строя!

При достижении напряжения U_СИ = E_ПИТ + U_Д диод VD открывается. Для тока индуктивности возникает путь прохождения по контуру L – VD – – шина E_ПИТ – R_Н. Формирование фронта t^0-1 закончилось. С этого момента индуктивность L не препятствует уменьшению тока стока транзистора, и ток I_С уменьшается до нуля в условиях, когда напряжение U_СИ = const,
т. е. – с постоянной времени _S (собственное быстродействие транзистора). Рабочая точка переместилась в точку “G” , а затем – в точку “A” (Рис. 4.5).

Стадия восстановления

После закрытия транзистора ток индуктивности через диод VD замыкается на нагрузку R_Н. Энергия, накопленная в индуктивности, расходуется, и ток I_L уменьшается по закону

I_L = I_{L MAX} exp (- t /  ), (4.11)

Характеристики

Список файлов учебной работы