- •Оглавление
- •Предисловие
- •Лабораторная работа №1. Изучение последовательных и связанного колебательных контуров
- •Теоретические замечания.
- •Задание 1.
- •Задание 2.
- •Задание 3.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа №2. Мощность в цепи переменного тока и методы её измерения.
- •1. Теоретические замечания.
- •2. Задание для самостоятельной работы.
- •3. Порядок выполнения работы. Задание 1.
- •Задание 2.
- •Задание 3.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа №3. Изучение полевых транзисторов.
- •Теоретические замечания.
- •Полевой транзистор с управляющим p-n – переходом.
- •Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом.
- •Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.
- •С пособы включения полевых транзисторов. Основные параметры.
- •Порядок выполнения работы.
- •Лабораторная работа №4. Снятие характеристик полупроводниковых триодов и определение их параметров.
- •Приборы и оборудование
- •Теоретические замечания
- •Задание 1.
- •Задание 2.
- •Задание з.
- •Задание 4.
- •Задание 5.
- •Задание 6.
- •Контрольные вопросы:
- •Лабораторная работа №5. Усилители напряжения низкой частоты.
- •Теоретические замечания.
- •Основные параметры усилителей.
- •Краткое описание лабораторного стенда.
- •Задание 1.
- •Задание 2.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа №6. Изучение выпрямительных схем.
- •Общие сведения
- •Однотактная однополупериодная схема
- •Двухполупериодная однотактная схема
- •Однофазная мостовая схема
- •Выпрямители с удвоением напряжения
- •Трёхфазная схема выпрямления
- •С г глаживающие фильтры выпрямителей
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа 7. Изучение однофазного трансформатора
- •I. Теоретическая часть.
- •Лабораторная работа №8. Изучение мультивибраторов и триггеров.
- •Мультивибраторы
- •Потенциалов
- •П орядок выполнения работы. Задание 1.
- •Триггеры
- •Изучение работы триггера.
- •Режим раздельного пуска
- •Режим счётного запуска
- •Порядок выполнения работы:
- •Контрольные вопросы:
- •Лабораторная работа №9. Исследование работы транзисторного ключа.
- •Краткие теоретические сведения
- •1. Подача питающих напряжений к стенду от выпрямителя
- •2. Подготовка к работе генератора импульсов г5-54
- •О работе с осциллографом с1-49
- •Порядок выполнения работы
- •1. Исследование насыщенного транзисторного ключа
- •2. Исследование ненасыщенного транзисторного ключа.
- •Выключение и разборка схемы:
- •Теоретическая часть.
- •1.Логические функции и логические элементы.
- •1.1.Основные логические элементы.
- •1.2.Инвертор.
- •1.3.Дизъюнктор.
- •1.4.Конъюнктор.
- •1.5.Универсальный логический элемент или-не (элемент Пирса).
- •1.6.Универсальный логический элемент и-не.
- •2.Диодный матричный двоично-восьмеричный дешифратор с параллельным трехразрядным счетчиком на триггерах.
- •2.1.Счётчик.
- •2.2.Дешифратор.
- •Задание 1.
- •Задание 2.
- •Задание 3.
- •Задание 4.
- •Задание 5.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа №11. Исследование регистра сдвига на базе r,s – триггеров.
- •Приборы и оборудование:
- •Краткие теоретические замечания.
- •Детали схемы (рис.3).
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа №12. Цифро-аналоговый преобразователь.
- •Теоретическая часть
- •1. Матрица с весовыми резисторами.
- •2. Резисторная матрица типа r-2r.
- •3.Электронные ключи.
- •4.Источник опорного напряжения.
- •5.Описание лабораторного стенда.
- •Задание 8.
- •Задание 9.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Лабораторная работа №13. Знакогенераторы эвм.
- •Краткие теоретические сведения. Описание стенда.
- •Внимание !!!
- •Задание 3.
- •Контрольные вопросы.
Лабораторная работа №9. Исследование работы транзисторного ключа.
Цель работы:
1. Ознакомиться с практическими схемами транзисторных ключей ненасыщенного и насыщенного.
2. Изучить влияние параметров элементов схемы на время включения и выключения транзисторного ключа.
3. Изучить способы осуществления быстрого переключения транзисторных ключей.
Приборы и принадлежности:
1. Стенд для изучения транзисторных ключей.
2. Стабилизированный выпрямитель с выходным напряжением 10В и 2В.
3. Генератор импульсов Г5-54.
4. Осциллограф С1-49.
5. Соединительные кабели и провода.
Краткие теоретические сведения
Транзисторным ключом называют схему, назначение которой состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки, под действием управляющих сигналов.
Т ранзисторные ключи широко используются в импульсной и цифровой технике в качестве инверторов, а также как составные элементы более сложных импульсных схем (триггеров, мультивибраторов и т.д.).
Рассмотрим ключевой режим транзистора, включенного по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером (рис.1). Для выявления возможных режимов работы ключа на семейство выходных характеристик транзистора (рис.2) нанесена нагрузочная прямая, пересекающая координатные оси в точках EK и EK/RK. При изменении входного тока рабочая точка X перемещается вдоль этой прямой, определяя своим положением ток коллектора IK и напряжение UK между коллектором и эмиттером. Положение рабочей точки на нагрузочной прямой определяет режим работы транзистора.
Режим отсечки, при котором транзистор закрыт и в цепи коллектора протекают малые токи, соответствует отрезку АБ нагрузочной прямой. Для обеспечения режима отсечки напряжение UБЭ должно быть положительным, для этого в схему вводят дополнительный источник EБ. При этом ток базы , а ток коллектора
Определим напряжение на базе закрытого транзистора и выясним условия, при которых оно будет положительным:
(1)
Из (1) видим, что напряжение UБЭ будет положительным, если
(2)
Условие (2) должно выполняться в самом худшем случае, т.е. при максимальной температуре, когда . Таким образом, режим отсечки обеспечивается выбором сопротивления резистора R и ЭДС источника Е:
(3)
Выходное напряжение в режиме отсечки практически совпадает с напряжением источника питания EK, так как падение напряжения от тока на резисторе RK обычно много меньше Е:
(4)
Отрицательное напряжение, поданное на вход ключа, открывает транзистор. Рабочая точка X при этом перемещается вверх по нагрузочной прямой АГ (рис.2) в область активного усилительного режима и занимает одно из положений на отрезке БВ. Напряжение UK уменьшается по абсолютной величине, так как ток коллектора IK, возрастает при увеличении тока базы IБ:
(5)
При некотором небольшом значении UКЭ потенциал коллектора относительно базы оказывается положительным, и коллекторный переход смещается в прямом направлении, транзистор входит в режим насыщения (отрезок ВГ). Дальнейшее увеличение тока базы теперь не вызывает роста коллекторного тока, так как база теряет управляющее действие.
Для обеспечения режима насыщения необходимо подать на вход ключа отрицательное напряжение U такой величины, чтобы обеспечить ток базы IБ > IБН. Глубина насыщения характеризуется коэффициентом насыщения S= IБ /IБН, S=l,2 - 2,0.
Ток базы IБ равен:
(6)
Ток насыщения базы IБН равен:
(7)
Условие насыщения (IБ >IБН) должно выполняться в самых худших условиях, т.е. при минимальной рабочей температуре, когда β = βmin.
Следовательно, для перехода транзистора в режим насыщения должно выполняться условие:
(8)
отсюда:
(9)
Таким образом, режим насыщения обеспечивается выбором сопротивления резистора R и амплитудой входного напряжения UmВХ в соответствии с (9). В режиме насыщения через транзистор протекает максимальный ток IK=IKН, который ограничивается лишь сопротивлением резистора RK:
(10)
где UKH - напряжение UКЭ насыщенного транзистора, которое мало и зависит от типа транзистора.
Следует помнить, что в режиме насыщения напряжение между всеми электродами транзистора оказывается небольшим по сравнению с ЭДС источника ЕK и напряжением UBХ, поэтому насыщенный транзистор считают "стянутым в точку".
Теперь рассмотрим вопрос о переходных процессах в транзисторных ключах. В стационарном состоянии ключ может быть либо "включен", либо "выключен". От ключевой схемы требуется быстрый переход из одного состояния в другое. В транзисторных ключах основными факторами, определяющими длительность процесса переключения, являются инерционность транзистора и емкость схемы.
Р
Рис. 3.
Коллекторный ток в соответствии с переходной характеристикой транзистора будет нарастать по закону:
(11)
где τВ – постоянная времени, которая определяется эффективным временем жизни неосновных носителей в базе. В момент времени t коллекторный ток достигнет значения IK=IKH, а напряжение UКЭ значения UKH. Начиная с момента времени t1, транзистор будет насыщен, а ключ включен. Длительность стадии включения равна:
(12)
Из (12) видно, что для ускорения включения необходимо обеспечивать, возможно, больший ток включения IБ1. При этом рабочая точка заходит глубоко в область насыщения и в области базы происходит накопление избыточного заряда неравновесных носителей – дырок.
Рассмотрим процесс выключения ключа, который состоит из стадий рассасывания избыточного заряда в базе tР и стадии закрывания транзистора tф, т.е. tвыкл = tР + tф. Для выключения ключа в момент времени t2 отрицательное входное напряжение скачком уменьшается до нуля, при этом в цепи базы появляется обратный ток
(13)
Заряд в базе начинает убывать. Пока происходит рассасывание избыточного заряда, сохраняется режим насыщения и ток коллектора не меняется. В момент времени tЗ избыточный заряд возле коллекторного перехода рассасывается и рабочая точка нагрузочной прямой переходит в активную область. Длительность стадии рассасывания:
(14)
С возвращением рабочей точки в активную область начинают убывать по экспоненциальному закону ток коллектора от начального значения IКН до и напряжение UK (от значения UKH до -EK). К моменту времени t4 рассасывается избыточный заряд возле эмиттерного перехода, обратный ток базы уменьшается от значения
до
Длительность стадии запирания транзистора равна:
(15)
Из (14) и (15) видно, что для уменьшения времени выключения необходимо обеспечивать большой обратный ток базы (ток выключения) и уменьшать степень насыщения транзистора S. Большой ток включения , повышающий степень насыщения транзистора, замедляет процесс выключения.
Отметим, что на длительность стадий tвкл и tвыкл влияет барьерная емкость коллекторного перехода СK и емкость нагрузки СH. Для учета их влияния в формулах необходимо заменить τВ на τ'В:
(16)
где
Для повышения быстродействия ключа необходимо уменьшать время включения и выключения. Это достигается двумя способами:
1. Использованием “сильного” входного сигнала и выбором оптимальных параметров схемы.
2). Применением более сложных схем, обладающих повышенным быстродействием.
Остановимся коротко на втором способе. Формулы (13) - (15) позволяют представить наилучшую, оптимальную с точки зрения быстродействия транзисторного ключа, форму базового тока (рис.4а). Последний велик ( ) на этапе включения транзистора, равен требуемому значению после его насыщения и снова велик и противоположен по направлению при выключении транзистора. Интервалы t1 и t2 должны быть не менее требуемых времен tвкл и tыкл соответственно.
П
Рис. 4а.
Рис. 4б.
Рис. 5.
Рис. 6.