11. Вольт-амперные характеристики биполярных, моп- и кмоп- интегральных транзисторов.

В ольтамперные характеристики биполярных, интегральных транзисторов

Рассмотрим простейшие схемы аналоговых ключей на биполярных транзисторах. На рис. 3.12, а представлена схема с общим эмиттером. Изобразим выходные характеристики транзистора для прямого и инверсного включе­ния в области, близкой к началу координат (рис. 3.12, б).

Через и_вх обозначено входное напряжение, которое в зависимости от управляющего сигнала и_упр подается или не подается на нагрузку R_H. Напряжение и_вх может быть как положительным, так и отрицательным. Если и_вх > О, то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как изученный ключ с постоянным напряжением питания. Если и_вх < 0, транзистор работает в инверсном режиме.

Одним из недостатков биполярного транзистора с точ­ки зрения применения его в аналоговых ключах является то, что выходные характеристики не проходят через нача­ло координат. Вследствие этого ток i_K и напряжение и_вых будут равны нулю не тогда, когда и_вх = 0, а при некото­ром положительном входном напряжении U. Напряжение U обычно составляет 10... 100 мВ. Это напряжение назы­вают остаточным или напряжением смещения.

На практике для уменьшения величины U транзистор включают так, чтобы роль эмиттера играл коллектор, а роль коллектора — эмиттер. Изобразим соответствующие характеристики и схему, которую иногда называют схемой с общим эмиттером при инверсном включении транзис­тора (рис. 3.13).

Из-за несимметрии структуры транзистора, различия в концентрациях примесей в различных его областях оста­точное напряжение для инверсного включения U_um обыч­но значительно меньше напряжения U. Часто U_UHe состав­ляет 1...5 мВ. Но, используя инверсное включение, следует помнить, что максимально допустимое запирающее на­пряжение эмиттерного перехода обычно значительно меньше соответствующего напряжения для коллекторно­го перехода.

О братимся к третьей простейшей схеме — схеме с об­щим коллектором (рис. 3.14). Можно заметить, что по­следняя схема фактически повторяет предыдущую, отличаясь только условно-положительными направлениями токов и напряжений. Подобным образом соотносятся и характеристики.

Рассмотрим компенсированный аналоговый ключ на биполярных транзисторах. С целью уменьшения напряже­ния на открытом ключе используют последовательное включение одинаковых транзисторов. Промышленность выпускает интегральные схемы, содержащие пары тран­зисторов, предназначенные для такого использования. Изобразим принципиальную схему интегральной микро­схемы 101КТ1А (рис. 3.15). Такие устройства называют также прерывателями. Изобразим схему аналогового клю­ча на основе такой микросхемы (рис. 3.16). Входной сиг нал и_вх может быть постоянным любой полярности или переменным. Управляющий сигнал передается через трансформатор.

Билет 7

11. Астатические объекты управления. Динамические характеристики.

 

Если на управляемый процесс действует возмущение f, то важное значение имеет статическая характеристика САУ в форме y = F(f) при y_o = const. Возможны два характерных вида этих характеристик (рис.19). В соответствии с тем, какая из двух характеристик свойственна для данной САУ, разлчают статическое и астатическое регулирование.

Рассмотрим систему регулирования уровня воды в баке (рис.20). Возмущающим фактора является поток Q воды из бака. Пусть при Q = 0 имеем y = y_o , e = 0. ЗУ с истемы настраивается так, чтобы вода при этом не поступала. При Q 0, уровень воды понижается (e 0), поплавок опускается и открывает заслонку, в бак начинает поступать вода. Новое состояние равновесия достигается при равенстве входящего и выходящего потоков воды. Но в любом случае при Q 0 заслонка должна быть обязательно открыта, что возможно только при e 0. Причем, чем больше Q, тем при больших значениях e, устанавливается новое равновесное состояние. Статическая характеристика САУ имеет характерный наклон (рис.19б). Это есть пример статического регулирования. Для получения статического регулирование, все звенья САР должны быть статическими.Статические регуляторы работают при обязательном отклонении e регулируемой величины от требуемого значения. Это отклонение тем больше, чем больше возмущение f. Это заложено в принципе действия регулятора и не является его погрешностью, поэтому данное отклонение называется статической ошибкой регулятора. Из рис.21 видно, что, чем больше коэффициент передачи регулятора K_р, тем на большую величину откроется заслонка при одних и тех же значениях e, обеспечив в установившемся режиме большую величину потока Q. Это значит, что на статической характеристике одинаковым значениям e при больших K_р будут соответствовать большие значения возмущения Q, статическая характеристика САУ пойдет более полого. Поэтому, чтобы уменьшить статическую ошибку надо увеличивать коэффициент передачи регулятора. Того же результата можно добиться, увеличивая коэффициент передачи объекта управления, но это дело конструкторов, проектирующих данный объект, а не специалистов по автоматике.

Статизм d, САР, характеризует насколько сильно значение регулируемой величины отклоняется от требуемого значения при действии возмущений, и равна тангенсу угла наклона статической характеристики, построенной в относительных единицах: d = tg(a) = (рис.22), где y = y_н, f = f_н - точка номинального режима САУ. При достаточно больших значениях K_p имеем d 1/K_p.

В некоторых случаях статическая ошибка недопустима, тогда переходят к астатическому регулированию, при котором регулируемая величина в установившемся режиме принимает точно требуемое значение независимо от величины возмущающего фактора. Статическая характеристика астатической С АУ не имеет наклона (рис.19в). Возможные неточности относятся к погрешностям конкретной системы и не являются закономерными.

Для того, чтобы получить астатическое регулирование, необходимо в регулятор включить астатическое звено, например ИД, между ЧЭ и УО (рис.23).

Если уровень воды понизится, то поплавок переместит движок потенциометра на величину L, за счет этого появится разность потенциалов 0 и ИД начнет поднимать заслонку до тех пор, пока не уменьшится до нуля, а это возможно только при y = y_o . При поднятии уровня воды разность потенциалов сменит знак, и двигатель будет вращаться в противоположную сторону, опуская заслонку.

Достоинства и недостатки статического и астатического регулирования: статические регуляторы обладают статической ошибкой; астатические регуляторы статической ошибки не имеют, но они более инерционны, сложны конструктивно и более дороги.

Обеспечение требуемой статической точности регулирования является первой основной задачей при расчете элементов САУ.