Sb98843

так и особенно закрытия транзистора возрастет. Вместе с тем у данной схемы есть недостаток: напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии оказывается выше, чем у обычного транзисторного ключа в режиме глубокого насыщения.

В современной схемотехнике транзисторные ключи очень часто используют, чтобы буферизовать выходы какой-либо весьма маломощной цифровой схемы, позволив ей управлять мощными нагрузками: обмотками мощных реле, индикаторами. Из проведенного анализа следует, что ток базы транзисторного ключа для его нормальной работы должен быть не более чем в (2…3) h21э раз меньше тока нагрузки. Даже с учетом довольно больших типичных значений коэффициентов передачи по току транзисторов (десятки, сотни) порой этого оказывается недостаточно. В этом случае применяют схему составного транзистора или схему Дарлингтона (рис. 1.7).

Ток, который потечет в базу составного транзистора в открытом состоянии, можно вычислить как Iб = (Uб – 2Uб–э)/Rб, а коэффициент передачи по току такого транзистора равен произведению h21э двух транзисторов, использованных в схеме, или h212 э , если транзисторы одинаковые.

Недостатком такой схемы является необходимость использовать для управления ключом более высоковольтный источник. Очевидно, что такой ключ невозможно открыть при помощи источника напряжения меньше, чем

2Uб–э 1.3 В.

Другим недостатком схемы является тот факт, что в открытом состоянии напряжение Uк–э составного транзистора весьма велико и обычно превышает Uк–э нас обычного транзистора на величину Uб–э (порядка 0.65 В). Выходной транзистор, эмиттер которого подключен к «земле», фактически никогда не

11

имеющий обратную полярность с точки зрения направления первоначального протекания тока. В схеме, представленной на рис. 1.8, это означает, что без защитного диода напряжение Uк–э в момент закрытия ключа значительно превысит напряжение питания схемы и выведет транзистор из строя. Защитный диод блокирует этот выброс напряжения: энергия, запасенная в дросселе во время протекания через него тока, выделяется в виде тепла на прямосмещенном диоде, а напряжение Uк–э не превышает величины Uзащ = Uп + Uд, где Uд – падение напряжения на прямосмещенном диоде согласно его вольтамперной характеристике (ВАХ) (рис. 1.9).

С другой стороны, описанная особенность катушек индуктивности применяется и с пользой для построения схем повышения напряжения, генераторов высокого напряжения, электрошокеров, систем зажигания бензиновых двигателей и т. д. Описанный эффект вполне пригоден для создания импульсов напряжения амплитудой в киловольты.

1.3. Задания для лабораторной работы

1. Соберите схему транзисторного ключа на n–p–n-транзисторе (рис. 1.10, а). Задав напряжение питания Uп = 12 В и амплитуду напряжения входного управляющего сигнала Uвх = 5 В, можно рассчитать значения сопротивлений в цепях базы и коллектора.

Для того чтобы транзистор открывался в режиме насыщения, необходимо выполнение условия

Эмиттер транзистора подключен к «земле», поэтому потенциал базы примерно равен 0.7 В, падение напряжения на резисторе базы равно Uвх – 0.7 В. Транзистор находится в режиме насыщения, поэтому потенциал коллектора равен напряжению насыщения транзистора Uк–э нас = 0.1...0.3 В и падение напряжения на резисторе коллектора примерно равно Uп – 0.2 В. Тогда согласно закону Ома (1.5) можно записать как

Uвх 0.7 В Rб Uп 0.2 В Rк β .

Подставив значения напряжений и взяв коэффициент усиления транзистора по току β = 200, получим соотношение для номиналов резисторов:

Задав ток коллектора (ток нагрузки) 10 мА, можно получить Rк = 1 кОм; чтобы при этом выполнялось условие насыщения (1.6), возьмем Rб = 47 кОм.

2. В качестве источника управляющего сигнала в лабораторной работе

держки включения и длительность фронта. Полное время включения транзисторного ключа равно tзд + tф. Зарисуйте (сфотографируйте) осциллограмму процесса включения ключа. Результат измерения занесите в табл. 1.1.

5. Измерьте напряжение насыщения транзистора Uк–э нас при помощи горизонтального курсора. Это напряжение на выходе схемы (на коллекторе) в те моменты времени, когда транзистор открыт (насыщен). Возможно, что для надежного измерения придется увеличить масштаб по оси Y (по оси напряжения). Результат измерения занесите в табл. 1.1.

6. Включите режим синхронизации осциллографа по срезу сигнала в первом канале. Измерьте время рассасывания носителей и длительность среза.

14

Полное время выключения транзисторного ключа равно tрас + tсп. Зарисуйте (сфотографируйте) осциллограмму процесса выключения (закрытия) ключа. Результат измерения занесите в табл. 1.1.

Повторите измерения для других номиналов резистора Rб. Фотографировать осциллограммы для всех значений этого

Как правило, Cф = 30…50 пФ.

8. Повторите измерения согласно пп. 4 и 6 для схемы ключа с форсирующим конденсатором. Измерять Uк–э нас не нужно, так как форсирующий конденсатор не меняет статических режимов работы биполярного транзистора. Осциллограмму следует зарегистрировать только для какого-то одного номинала резистора Rб на ваш выбор.

9.Соберите схему транзисторного ключа с диодом Шотки (рис. 1.11, а). Для этого сначала отключите форсирующий конденсатор, а затем подключите (соблюдая полярность) выданный преподавателем диод Шотки типа BAT43 между базой и коллектором транзистора.

10.Повторите измерения согласно пп. 4–6 для схемы ключа с диодом Шотки, его наличие влияет на Uк–э нас, уменьшая глубину насыщения транзи-

стора, так что измерять ее необходимо. Осциллограмму следует зарегистрировать только для какого-то одного номинала Rб на ваш выбор.

11. Соберите схему транзисторного ключа на составном транзисторе по схеме Дарлингтона (рис. 1.11, б) и повторите для этой схемы измерения согласно пп. 4–6. Из-за того что коэффициент усиления по току пары Дарлингтона очень велик (он равен примерно β1β2 = β2), в качестве сопротивлений в цепи базы используйте 47, 100, 220 и 470 кОм. Осциллограмму следует заре-

15

гистрировать только для какого-то одного номинала Rб на ваш выбор.

12. Установите напряжение питания стенда 5 В (при этом блок питания должен быть настроен приблизительно на 5.7 В).

жения в коллекторной цепи при закрытии транзистора так, чтобы был отчетливо виден выброс напряжения, генерируемый индуктивностью обмотки возбуждения реле и подавляемый защитным диодом.

16

15. При помощи курсоров измерьте амплитуду выброса напряжения, подавляемого защитным диодом, и сравните полученную величину с прямым падением напряжения на защитном диоде.

Лабораторная работа № 2 АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

2.1.Краткое описание лабораторной работы

1.В лабораторной работе монтируются и исследуются схемы активных фильтров Саллена–Ки второго порядка, построенных на операционных усилителях (ОУ) TL082 с двуполярным питанием ±10 В.

2.Для схемы фильтра верхних (ФВЧ) или нижних (ФНЧ) частот измеряются амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики.

3.Экспериментальные зависимости сравниваются с теоретическими.

4.В качестве источника сигнала для фильтров используется лабораторный генератор сигналов синусоидальных напряжений.

2.2.Основные теоретические сведения

В отличие от пассивных активные фильтры содержат помимо резисторов, конденсаторов и (иногда) дросселей один или несколько активных компонентов. В настоящее время такими компонентами являются ОУ. По сравнению с пассивными активные фильтры имеют ряд преимуществ:

–возможность регулировки различных параметров фильтра, например добротности и коэффициента усиления, крутизны АЧХ в районе частоты среза и т. д., в широких пределах;

–выходом активного фильтра физически обычно является выход ОУ, имеющий пренебрежимо малое сопротивление. Это позволяет каскадировать активные фильтры, включая их последовательно. При этом каскады не влияют друг на друга, так как второй фильтр в каскаде не влияет на поведение первого. Это позволяет легко получать выражение для передаточной функции многокаскадного фильтра путем перемножения функций для каждого из каскадов, что невозможно для пассивных фильтров.

Рассмотрим ФНЧ Саллена–Ки (рис. 2.1, а). В такой схеме чаще всего номиналы резисторов и конденсаторов выбирают одинаковыми (R1 = R2 = R,

17

С1 = С2 = С). Тому есть ряд достаточно сложных причин, например необходимость обеспечения стабильности работы схемы без возбуждения при высоких коэффициентах усиления каскада, построенного на ОУ.

Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема фильтров Саллена–Ки: а – ФНЧ; б – ФВЧ

Сучетом того что выход ОУ представляет собой источник напряжения,

авход ОУ – разрыв (так как входные токи ОУ равны нулю), схему активного ФНЧ можно представить как два последовательно включенных однозвенных RC-фильтра. При этом нижняя обкладка конденсатора C1 подключена не к

«земле», а к выходу неинвертирующего усилительного каскада на ОУ, который, в свою очередь, можно представить в виде источника напряжения Uвых, управляемого напряжением на конденсаторе С2 (UC2). Используем эту экви-

валентную схему (рис. 2.2) для получения формулы, описывающей передаточную функцию фильтра.

входе связано с выходным напряжением по формуле для делителя напряже-

конденсатор C2 потечет ток, определяемый законом Ома для участка цепи, в котором участвует комплексное выражение для реактивности конденсатора:

где Z 1 j C j С – реактивность конденсатора C2 (выражение для реактивности C1 аналогично). Нетрудно заметить, что (2.1) содержит в себе часть, представляющую формулу для коэффициента усиления неинвертирующего каскада. Обозначим Kу 1 R3 R4 , тогда

Предположим, что токи в контурах эквивалентной схемы фильтра протекают в направлениях, показанных на рис. 2.2. Запишем для контура схемы, включающего в себя источник напряжения Uвх, правило Кирхгофа:

Uвх IR1 R IC1Z Uвых 0 или Uвых Uвх IR1 R IC1Z.

Разделим обе части полученного соотношения на величину Uвых и сделаем ряд простых преобразований:

Запомним, что (2.3) содержит в себе член, равный передаточной функции фильтра Uвх Uвых 1 Kу , и токи резистора R1 и конденсатора С1, разделен-

ные на Uвых. Благодаря этому выражению можно легко получить формулу для передаточной функции, если выразить эти токи через произведение некоей величины на Uвых. Согласно правилу Кирхгофа для контура, включающего в себя конденсатор С2, справедливо: Uвых IC1Z IR2 R IR2 Z 0.

Очевидно, что через конденсатор С2 и резистор R2 течет один и тот же ток, т. е. IC2 = IR2. Это позволяет подставить (2.2) в полученную формулу.

Выразим из полученного соотношения величину

Итак, были получены выражения для искомых токов в требуемом виде. Подставим (2.4) и (2.5) в (2.3):