Методические указания

Отличительной особенностью импульсных схем является широкое применение элек­тронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады, в первую очередь каскад с общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу такого каскада в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных цепей. На рис. 3.4,б приведена выходная характеристика транзистора, на которой нанесена нагрузочная линия, пересекающая оси координат в точках (u_к=Е_к, i_к=0) и (u_к=0, i_к=Е_к/R_к).

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:

1. Состояние (режим) отсечки («ключ разомкнут»). При этом через транзистор протекает минимальный ток.

Это состояние соответствует точке А на диаграмме. i_к=I_кбо0, напряжение на транзисторе u_к Е_к. Транзистор в режиме отсечки может быть представлен схемой замещения, содержащей только 1 источник тока I_кбо, включенный между базой и коллектором.

Для того чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо выполнить условие отсечки: сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора или для n-p-n транзистора выполнить условие u_Б<0

М ощность, теряемая в режиме отсечки на транзисторном ключе, Р_к= u_к* i_к мала, так как мал ток.

2. С

   U_k

   остояние (режим) насыщения («ключ замкнут»). Минимальное напряжение на транзисторе u_к=U_кэ,н0 соответствует точке В на диаграмме. Ток через транзистор ограничен резистором R_к и определяется I_к,н=

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжение между электродами транзистора малы. Транзистор в режиме насыщения представлен схемой замещения, которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что «транзистор стянут в точку»).

Режим насыщения достигается уже при i_б= I_б,н= I_к,н / h_21э. Дальнейшее увеличение тока базы i_б> I_б,н не изменяет токов коллекторной цепи. Т.О., условие насыщения транзистора записывается в виде i_б≥I= I_к,н / h_21э, где I_к,н Е_к / R_н

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие i_б≥I= I_к,н / h_21э, где I_к,н Е_к / R_н выполнялось при h_21э = h_{21э min}. Величина S_н= i_б / I_б,н≥1 называется коэффициентом насыщения транзистора.

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе, Р_к= U_к* i_к мала, т.к. мало напряжение. Напряжение U_кэ,н приводиться в справочниках, для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_кэ,н << Е_к.

При работе транзисторного ключа переключения из открытого состояния в разомкнутое и обратно происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, не значительны. Т.О., работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является важным преимуществом по сравнению с полупроводниковыми устройствами.

Пример расчета 5.1.

При подаче положительного напряжения u_вх транзистор входит в режим насыщения. При отсутствие входного напряжения u_вх=0 источник напряжения - Е_см связанный с базой транзистора через резистор R₂, обеспечивает режимы отсечки.

Дано: транзистор с параметрами h_21э=20÷60, I_кбо≤10мкА, Е_к=10В, Е_см=-2В. В качестве нагрузки используется резистор R_к=0,1кОм. Транзистор должен быть насыщен при U_вх≥7В. При U_вх=0 транзистор в режиме отсечки. Найти: R₁ и R₂

1. Начнем расчет с режима отсечки. Транзистор заменим схемой (а). Тогда базовая цепь ключа может быть заменена схемой (в). Напряжение u_б создается двумя источниками: источником напряжения Е_см и источником тока I_кбо . Воспользуемся методом суперпозиции и найдем

u_б= =

Условие отсечки u_Б<0 можно записать в виде I_кбо - Е_см / R₂ ≤0

Наихудшим с точки зрения запирания транзистора является случай, когда I_кбо = I_{кбо мах} =10мкА

Найдем R₂< Е_см / I_{кбо мах} = 200 кОм. Примем с запасом для более надежного запирания R₂=100кОм

2. Перейдем к режиму насыщения. Транзистор заменим схемой замещения (б), тогда базовая цепь схемы ключа сводиться к схеме (г). Ток базы создают источники напряжения u_вх и Е_см. Снова воспользуемся методом суперпозиции i_б= u_вх / R₁- Е_см/ R₂

Условие насыщения i_б≥I= I_к,н / h_21э выполняется при u_вх / R₁- Е_см/ R₂ ≥ Е_к/ (R_k * h_21э)

Наихудшим случаем для обеспечения насыщения является h_21э= h_{21э мin}=20, u_вх=7В. Определяем R₁:

R₁≤ = 1,39 кОм

Примем R₁=1,3кОм.

Рассчитывая транзисторный ключ, мы встречаемся с характерной особенностью импульсных схем: несмотря на нестабильность входного сигнала (заданы зоны, в которых осуществляются режимы насыщения и отсечки при любых параметрах схемы), осуществляется надежное функционирование ключа. Схема обладает повышенной устойчивостью к воздействию помех на входе.

Временные параметры транзисторного ключа

Скорость нарастания (фронт) напряжения на коллекторе транзистора в схеме на рис. 3.3 ограничивается следующими факторами:

• после перехода входного сигнала в состояние нуля возникает задержка, обусловленная временем рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в базе в режиме насыщения;

• сопротивление нагрузки в сочетании с проходной ёмкостью и эффектом Миллера дают постоянную времени, определяющую экспоненциальный рост напряжения;

• но если скорость нарастания напряжения достаточно высока, то ток, протекающий через конденсатор создаёт на резисторе падение напряжения, которое вызывает прямое смещение перехода база - эмиттер и ток базы, препятствующий росту напряжения на коллекторе..

Скорость спада (срез) напряжения на коллекторе транзистора ограничивается проходной ёмкостью и коэффициентом насыщения.

Приближённо рассчитать время нарастания напряжения на коллекторе можно по следующей формуле:

, (5.2)

где - время жизни неосновных носителей заряда в базе.

Время спада напряжения на коллекторе транзистора приближённо можно определить по следующей формуле:

.

Расчет генераторов синусоидальных сигналов

Задание 6

Выбрать операционный усилитель по допустимой скорости нарастания выходного напряжения и другим параметрам ( таблица П3.6 [6].) Привести его параметры в форме таблицы. Рассчитать элементы частотозадающей цепи при одном заданном элементе. Привести схему заданного генератора. Используйте материалы и пример расчета, приведенные в [6], стр. 6-11