Электроника_Книга (852903), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В закрытом состоянии транзистор можно заменить разомкнутым ключом (рисунок 5.1, а), а в открытом – замкнутым (рисунок 5.1, б).абРисунок 5.1 ― Пояснения работы транзистора в ключевом режимев области отсечки (а) и в области насыщения (б)73В эти состояния транзистор переходит под действием входных сигналов, которые, как правило, имеют форму прямоугольных импульсов.Транзистор работает в КР в устройствах автоматики, телемеханики, релейной защиты, то есть везде, где требуется включать или выключать электротехнические устройства. Наиболее широкое применение этот режим нашел в компьютерной технике и сотовой связи,где практически все транзисторы работают в КР.Необходимо помнить, что при работе в этом режиме транзисторне только переключает схему, но и усиливает импульсный сигнал.Поэтому усилители, в которых транзисторы работают в КР, называют импульсными.5.2 Схемы включения транзистора в ключевом режимеОбычно при работе транзистора в КР требуется, чтобы при отсутствиивходного сигнала он был закрыт.
В этом случае на переход jЭ подается обратное смещение (закрывающее транзистор), а входной импульс должен смещать переход jЭ в прямом направлении (открывать транзистор).Если необходимо, чтобы при отсутствии входного сигнала транзистор был открыт, то на переход jЭ подается прямое смещение (открывающее транзистор), а входной импульс должен смещать переход jЭ в обратном направлении (закрывать транзистор).Рассмотрим схему импульсного усилителя с отдельным источником смещения, в котором транзистор при отсутствии входного сигнала закрыт (рисунок 5.2).абРисунок 5.2 – Форма входного сигнала (а) и схема импульсного усилителя(б) с отдельным источником смещения74В этой схеме на интервале 0–1 напряжение uВХ = 0. К переходу jЭот источника ЕСМ приложено обратное смещение, что соответствует закрытому положению транзистора на рисунке 5.1, а. На интервале 2–3 к переходу jЭ приложены два напряжения – входа uВХ = UВХв прямом и смещения ЕСМ в обратном.
Так как UВХ H > ЕСМ, то переHход jЭ смещен в прямом напряжении, что соответствует открытомуположению транзистора на рисунке 5.1, б. На интервале 4–5 транзистор вновь закрывается.Рассмотрим вторую схему импульсного усилителя без источникасмещения, в котором роль последнего выполняет источник входного сигнала (рисунок 5.3).В этой схеме на интервале 0–1 напряжение uВХ = UВХ В, поэтомук переходу jЭ приложено обратное смещение, что соответствует закрытому положению транзистора на рисунке 5.1, а.
На интервале 2–3uВХ = UВХ H, поэтому к переходу jЭ приложено прямое смещение, чтосоответствует открытому положению транзистора на рисунке 5.1, б.На интервале 4–5 транзистор вновь закрывается.абРисунок 5.3 – Форма входного сигнала (а) и схема импульсного усилителя(б) без источника смещения5.3 Рабочие точки транзистора в ключевом режимеОпределим рабочие точки транзистора на входной (рисунок 5.4,а) и выходной (рисунок 5.4, б) динамических характеристиках (ДХ),когда он работает в КР в схемах по рисункам 5.2, б и 5.3, б.На интервале 0–1 к переходу jЭ приложено: в схеме с источником смещения напряжение ЕСМ, а в схеме без источника смещениянапряжение UВХ В.
Переход jЭ смещен в обратном направлении. По75этому на входной ДХ рабочая точка сместится влево относительноначала координат на величину приложенного напряжения (т. L нарисунке 5.4, а). Ток базы равен нулю, и транзистор закрыт. Рабочаяточка на выходной ДХ будет располагаться в точке пересечения еес выходной статической характеристикой, снятой при IБ = 0 (т. Lна рисунке 5.4, б). Транзистор будет работать в области отсечки (I),и выходной ток IК = 0.На интервале 2–3 к переходу jЭ приложено: в схеме с источникомсмещения напряжение (UВХ H –ЕСМ), а в схеме без источника смещения напряжение UВХ Н.
Переход jЭ смещен в прямом направлении.Поэтому на входной ДХ рабочая точка перейдет вправо относительно начала координат на величину приложенного напряжения и достигнет т. М. Ток базы при этом возрастет до IБ = = IБ НАС (рисунок5.4, а). Транзистор открыт и работает в области насыщения (II). Рабочая точка на выходной ДХ будет располагаться в точке пересеченияее с выходной статической характеристикой, снятой при IБ = IБ НАС(т. М на рисунке 5.4, б), а выходной ток будет иметь максимальноезначение IК = IК МАХ.абРисунок 5.4 – Рабочие точки транзистора в ключевом режимена входной (а) и выходной (б) динамических характеристиках765.4 Входные и выходные напряжения транзисторав ключевом режимеРассмотрим подробно для схемы импульсного усилителя с источником смещения (рисунок 5.2) процесс переключения транзистораиз закрытого состояния в открытое и обратно.
Для наглядности примем, что входной сигнал uВХ имеет трапецеидальную форму.Напряжение uВХ, которое поступает на вход схемы (рисунок 5.5, а)складывается с напряжением смещения ЕСМ (рисунок 5.5, б). Результирующее напряжение uВХ РЕЗ (рисунок 5.5, в), которое подается на переход jЭ транзистора, можно определить какuВХ РЕЗ = uВХ + ЕСМ .(5.1)На интервале 0–1 (рисунок 5.5, в) результирующее напряжение,в соответствии с (5.1) равно uВХ РЕЗ = 0 + ЕСМ = ЕСМ.На базу относительно эмиттера подано положительное напряжение («+» на n-полупроводник и «–» на p-полупроводник). Этосоответствует обратному смещению перехода jЭ.
Ток базы IБ = 0,транзистор закрыт и работает в области отсечки (рисунок 5.5, г).В направлении Э–Б–К сопротивление транзистора близко к бесконечности, и выходной ток коллектора IК = 0. Поэтому падение напряжение на резисторе RK (рисунок 5.5, д) будет равноuR = IKRK = 0 · RK = 0.(5.2)Согласно второму закону Кирхгофа, для выходной цепи схемы порисунку 5.2, б, можно записать, чтоЕК = uK + uR .(5.3)Исходя из (5.3) и в соответствии с (5.2), найдем, что напряжениемежду эмиттером и коллектором транзистора будет равноuК = EK – 0 = EK.77(5.4)абвгдеРисунок 5.5 – Временные диаграммы напряжений: входного (а),смещения (б), результирующего входного (в), на коллекторном резисторе(д) и на коллекторе транзистора (е) импульсного усилителя с источникомсмещения в соответствии с областями работы транзистора (г)На интервале 1–1′ положительное (относительно эмиттера) напряжение на базе уменьшается (рисунок 5.5, в).
Однако смещение на переходе jЭ остается обратным, транзистор продолжает работать в области отсечки (рисунок 5.5, г) и будет закрыт. Выражения (5.2) и (5.4)справедливы и для этого интервала (рисунки 5.5, д и е). Такое состо78яние транзистора будет продолжаться до момента 1′ , когда результирующее напряжение uВХ РЕЗ не станет равно нулю (рисунок 5.5, в).На интервале 1′–2′ (рисунок 5.5, в) на базу относительно эмиттера подается отрицательное напряжение («–» на n-полупроводник и«+» на p-полупроводник), которое увеличивается от нуля до некоторой величины.
Также возрастает и прямое смещение перехода jЭ.Ток базы при этом увеличивается и, допустим, в момент 2′ становится равным IБ = IБ НАС. Транзистор переходит из закрытого (момент 1′)состояния в открытое (момент 2′), работая этот интервал в активной области (рисунок 5.5, г). Его сопротивление при этом в направлении Э–Б–К падает от бесконечности до нуля. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в момент 1′ равно uК = EK(5.4), а момент 2′ – uК = 0, так как сопротивление транзистора близко к нулю (рисунок 5.5, е).Выходной ток коллектора на интервале 1′–2′ растет от нуля до максимального значения IК МАХ.
Поэтому падение напряжение на резисторе RK резко увеличится от нуля (момент 1′) до IК МАХ RK (момент 2′).В соответствии с (5.3) оно будет равно (рисунок 5.5, д)uR = EK – uК = EK – 0 = EK = IК МАХ RK.На интервале 2′–3′ (рисунок 5.5, в) переход jЭ имеет прямое смещение, достаточное для того, чтобы IБ ≥ IБ НАС. Транзистор открыт,работает в области насыщения (рисунок 5.5, г), и сопротивление егов направлении Э–Б–К практически равно нулю. Поэтому на всемэтом интервале uR = EK и uК = 0 (рисунок 5.5, д и е).На интервале 3′–4′ (рисунок 5.5, в) на базу относительно эмиттеравсе еще подается отрицательное напряжение («–» на n-полупроводники «+» на p-полупроводник), которое уменьшается от некоторой величины до нуля.
Соответственно снижается и прямое смещение перехода jЭ. Ток базы при этом падает с IБ = IБ НАС (момент 3′) до нуля (момент4′). Транзистор переходит из открытого (момент 3′) состояния в закрытое (момент 4′), работая этот интервал в активной области (рисунок5.5, г).
Его сопротивление при этом в направлении Э–Б–К возрастает от нуля до бесконечности. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в момент 3′ равно uК = 0, а момент 4′ – uК = EK(5.4) (рисунок 5.5, е).Выходной ток коллектора на интервале 3′–4′ уменьшается от IКдо нуля. Поэтому падение напряжение на резисторе RK резко паМАХдает от EK до нуля (рисунок 5.5, д).79На интервале 4′–4 на базе транзистора возникает положительное(относительно эмиттера) напряжение (рисунок 5.5, в). К переходу jЭприкладывается обратное смещение. Транзистор начинает работатьв области отсечки (рисунок 5.5, г) и будет закрыт.
Выражения (5.2)и (5.4) справедливы для этого интервала (рисунки 5.5, д и е). Такоесостояние транзистора будет продолжаться до тех пор, пока результирующее напряжение на базе транзистора вновь не станет отрицательным относительно эмиттера.Все вышесказанное справедливо и для импульсного усилителябез источника смещения (рисунок 5.3). Исключения составляют диаграммы uВХ (рисунок 5.5, а) и EСМ (рисунок 5.5, б), так как в даннойсхеме входное напряжение uВХ уже имеет форму результирующеговходного напряжения, изображенного на рисунке 5.5, в. Все остальные диаграммы (рисунок 5.5, г – е) будут аналогичны.5.5 Примеры схем импульсных усилителейРассмотрим работу простейших импульсных усилителей.На рисунке 5.6, б изображена схема устройства для переключенияламп HL1 и HL2, а на рисунке 5.6, а – форма входного сигнала.абРисунок 5.6 ― Форма входного сигнала (а)и схема импульсного усилителя (б) для переключения лампНа интервале 0–1 (рисунок 5.6, а) на переход jЭ VT1 подано обратное смещение, ток базы VT1 IБ1 = 0, следовательно, транзистор VT1закрыт, а его сопротивление в направлении Э–Б–К близко к бесконечности (рисунок 5.7).80Рисунок 5.7 ― Схема по рисунку 5.6, б на интервале 0–1Поэтому ток коллектора VT1 IК1 по цепи: «+»EK, эмиттер VT1, коллектор VT1, HL1, «–»EK не потечет и лампа HL1 не горит.
По цепи:«+»EK, эмиттер VT2, база VT2, R2, HL1, «–»EK будет протекать ток(рисунок 5.7). Так как сопротивление R2 составляет сотни кОм, товеличины этого тока будет недостаточно для зажигания лампы HL1.Однако этот ток будет являться током базы VT2 IБ2, и он откроет транзистор VT2, переведя его из области отсечки в область насыщения.Сопротивление VT2 в направлении Э–Б–К станет близким к нулю,и по цепи: «+»EK, эмиттер VT2, коллектор VT2, HL2, «–»EK потечетдостаточно большой ток IК2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
