2.5. Импульсные устройства.

Радиоэлектронные устройства, использующие работу транзистора в ключевом режиме называются импульсными. При этом режиме устройство вырабатывает сигнал, имеющий характер перепадов, скачкообразных изменений амплитуды.

Типичные формы импульсных сигналов приведены на рис.2.56.

а) б) в)

Рис.2.56. а) последовательность прямоугольных импульсов; б) прямоугольный импульс; в) пилообразный сигнал.

Основными параметрами сигналов принято считать:

Uм – амплитуда импульсов;

τu – длительность импульсов;

∆Uм – величина скола вершины;

τ , τ - длительность положительного и отрицательного фронтов;

Tр – длительность рабочего хода сигнала;

Tох - длительность обратного хода (восстановления);

T – период следования сигналов;

- коэффициент линейности линейно – изменяющегося сигнала.

Основным элементом импульсных устройств является электронный ключ, осуществляющий коммутацию (замыкание и размыкание) электронных цепей под воздействием управляющих сигналов.

Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: “Включено” и “Отключено”. Функции электронного ключа могут выполнять диоды и транзисторы, так как в отличие от механических устройств они обладают быстродействием и надежностью.

Вначале рассмотрим работу идеального ключа (рис.2.57).

Рис.2.57. Схема включения электронного ключа и диаграммы, поясняющие его работу.

Если ключ выключен (разомкнут), то Uвых=Eпит и ток в цепи отсутствует (i(t)=0).

Если ключ включен (замкнут), то Uвых=0, а величина тока i(t)=Iм= Eпит/R, следовательно идеальный ключ обеспечивает амплитуду импульса на выходе равную Eпит.

Качество электронного ключа характеризуется тремя основными параметрами:

tперекл – время переключения, то есть время перехода из одного состояния в другое;

tут – ток утечки через разомкнутый ключ. В идеале он должен стремиться к нулю;

Uзамкн – падение напряжения на замкнутом ключе. В идеале оно должно равняться нулю.

Механические ключи обладают двумя последними параметрами, близкими к идеальным, но уступают электронным по быстродействию и надежности.

2.5.1. Транзисторный ключ.

Основными элементами электронных ключей является транзистор, работающий в ключевом режиме. Как правило, транзистор включается по схеме с ОЭ. Эта схема обладает большим коэффициентом передачи управляющего сигнала, а так же большим входным и малым выходным сопротивлением, что облегчает согласование ключа с источником сигнала и нагрузкой.

Схема включения транзистора в ключевом режиме внешне не отличается от схемы включения в усилительном режиме. Разница только в параметрах элементов схемы, обеспечивающих режим работы (рис.2.58).

Рис.2.58. Схема включения транзистора в ключевом режиме.

Во время работы транзистор может находиться в одном из трех состояний – закрытом, открытом и активном.

Транзистор закрыт, если к его эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение. Для p–n–p типа транзистора это нулевой или отрицательный потенциал на базе по отношению к эмиттеру. Через закрытый транзистор протекает только тепловой ток обратно смещенных p–n переходов Iк обр. Рабочая точка транзистора находится в области отсечки.

Uвых=Uкэ= Eпит - Iк обр. Ru Eпит

Величина Iк обр мала и сильно зависит от . Для снижения величины UR= Iк обр. Ru и зависимости выходных параметров от величину Ru стремятся уменьшить, обеспечив условие Iк обр. Ru<< Eпит.

Для открытия транзистора (включение электронного ключа) на базу необходимо подать положительный потенциал такой величины, чтобы рабочие токи перешли в область насыщения, то есть выполнялось условие Iб= Uвх/Rб=Iб нас.

При этом напряжение на коллекторе транзистора будет равно:

Uвых=Uкэ нас

Эта величина составляет 0,2….0,6 для германиевых транзисторов и 0,4….0,8 для кремниевых. При этом через транзистор и Rк протекает максимальный ток:

На величину Rк накладывает ограничение максимально допустимый ток коллектора:

Величина необходимого базового тока определяется из соотношения:

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы транзисторного ключа приведены на рис.2.59.

Рис.2.59. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы транзисторного ключа.

Величина длительности фронтов может быть приближенно определена из соотношения:

τ = τ +(1+ ) кэRк,

где τ - высокочастотный параметр транзистора; - коэффициент передачи тока базы транзистора; кэ=1,6…2,1Скэ – среднее значение выходной емкости транзистора; Rк – величина коллекторного резистора.

На основе транзисторного ключа строят различные функциональные узлы, такие как мультивибраторы, генераторы линейно – изменяющегося напряжения и т.д.

Рассмотрим построение и принцип работы наиболее распространенных в автомобильной электронике устройств.