Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
101
11. СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ53
В настоящее время мощные полевые и биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, имеют широкое распространение в различных
устройствах современной техники. Вопросы повышения надежности и качества
работы транзисторов в ключевых режимах обеспечивают снижение весогабаритных параметров устройств и повышение надежности аппаратуры.
Среди способов оптимизации транзисторных ключей следует выделить:
1) формирование желаемой траектории переключения ключа;
2) применение принципов пропорционально-токового управления;
3) использование современных транзисторов, представляющих собой
БСИТ-структуру.
11.1. ЦЕПИ ФОРМИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ54
a)
RНR1
VD1
СVTR
Б
E
К
+
б)
t
I
K
U
KЭ
t
t
I
C
Рис. 11.1. Схема установки в коллекторную цепь
транзистора узла формирования
Установка в коллекторную цепь транзистора узла формирования траекторий переключения позволяет осуществить задержку фронта нарастания коллекторного напряжения по отношению к фронту спада коллекторного тока. Динамические потери на заднем фронте импульса при этом уменьшаются в сотни
раз. Работа цепи формирования на заднем фронте является наиболее актуальной, поскольку задний фронт импульса является неуправляемым участком траектории транзистора.
53
URL: https://myrepititor.ru/sau/power-transistor-switches/silovye-tranzistornye-klyuchi (дата обращения:
12.08.2025).
54
URL: https://myrepititor.ru/sau/power-transistor-switches/cepi-formirovaniya-traektorii-pereklyucheniya
(дата обращения: 12.08.2025).
102
Для выбора емкости в цепи формирования траектории можно использовать приближенные соотношения.
Q = I t = C U. (11.1)
Разрядный резистор R1 определяет амплитуду добавочного тока коллектора на этапе открывания транзисторного ключа. Амплитуда разрядного тока
емкости при этом определяется как
ICm =
R1
E
K
. (11.2)
tИ 3 R1 С. (11.3)
Уравнения (11.1), (11.2) и (11.3) представляют оптимизационную задачу.
Параметры элементов цепи формирования траектории оказываются взаимосвязанными. Задача выбора номиналов должна решаться оптимальным образом исходя из специфики конкретного применения цепи.
Важным является вопрос расчета мощности рассеивания разрядного резистора. Существенно снизить мощность рассеивания на разрядном резисторе
позволяет установка в цепь последовательно с резистором дросселя.
a)
RНR1
VD1
СVTR
Б
E
К
+
L
б)
t
P
без дросселя
с дросселем
Рис. 11.2. Схема с установкой дросселя
Q = C EK, (11.4)
Q* = Q = IСР. (11.5)
Волновое сопротивление контура
C
2L
< R, (11.6)
следовательно, процесс не будет колебательным.
103
Установка дросселя позволяет, с одной стороны, уменьшить амплитуду
разрядного тока емкости, с другой — снизить действующее значение разрядного тока при неизменном среднем значении.
11.2. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ТОКОВОГО
УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ55
VT2
VT1
UУС
R
EK1T1
E
K
R
Н
W1
W2
W3
I
2
I
1
Рис. 11.3. Схема пропорционально-токового управления транзисторным ключом
I1 W1 = H l, (11.7)
B = 0 H, (11.8)
Ф = B S, = Ф W2 = W2 B S, (11.9)
E2 =
dt
dψ
−
, (11.10)
I2 = I1
W2
W1
=
R
E
2
, (11.11)
U
БЭ VT2
t
ВКЛ
= B S W2, (11.12)
где t
ВКЛ
— время включенного состояния.
Для нормальной работы схемы необходимо:
W1 I1 = W2 I2 < W3 I3, где I3 =
R
E
K1
.
55
URL: https://kazus.ru/forums/showthread.php?t=113095&page=9 (дата обращения: 12.08.2025).
104
Токовый трансформатор T1, установленный в схему транзисторного клю-
ча, позволяет осуществить несколько функций управления ключом:
1) гальваническое разделение элементов цепи управления и цепи силово-
го ключа;
2) пропорционально-токовое управление ключом с постоянной степенью
насыщения транзистора независимо от нагрузки;
3) форсированные процессы открывания и закрывания ключа.
В процессе открывания базовая цепь транзистора работает от источника
тока, который образован энергией, накопленной в магнитном сердечнике
трансформатора. В процессе закрывания ключа емкость C обеспечивает дополнительные ампервитки обмотки W3, что формирует дополнительный базовый
ток рассасывания.
Механизм работы схемы. При открытом управляющем транзисторе VT1
преобладающие ампервитки обмотки W3 обеспечивают формирование напряжений с полярностью:
«–« — в точке;
«+» — вне точки.
Транзистор закрыт и удерживается в закрытом состоянии отрицательным
напряжением U
БЭ VT2
. При размыкании управляющего транзистора VT1 энергия
магнитопровода формирует начальный импульс базового тока VT2. Транзистор
VT2 форсировано открывается, через обмотку W1 начинает протекать ток
нагрузки. Вступает в действие токовая положительная обратная связь. Ток в базовой цепи поддерживается пропорциональным току нагрузки. Пропорциональность токов определяется соотношением чисел витков W1 и W2. При открывании управляющего транзистора действие токовой обратной связи прекращается (ампервитки W3 превышают ампервитки W1 и W2), и транзистор
VT2 форсировано закрывается. Следует отметить, что недостатком схемы является регламентированная длительность включенного ключа, так как магнитопровод трансформатора не может попадать в насыщение.
11.3. ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ КЛЮЧЕВОГО ЭЛЕМЕНТА
БСИТ ТРАНЗИСТОРА56
БСИТ — это биполярные транзисторы с статической индукцией, которые
представляют собой разновидность полевого транзистора с управляющим n-p
переходом, работающего в режиме прямого смещения на затворе. По сути,
БСИТ — импульсный элемент. Управление транзистором осуществляется аналогично управлению биполярного транзистора, поскольку на входе структуры
56
URL: https://tech-school.info/transistors-with-static-induction/ (дата обращения: 12.08.2025).
105
имеется прямо смещенный p-n переход затвор-канал. При протекании через переход прямого тока толщина перехода уменьшается, и формируется токопроводящий канал сток-исток, по которому течет рабочий ток транзистора. Переходная характеристика транзистора существенно нелинейная, поэтому его проблематично использовать в усилительных схемах (в линейных режимах), но с
успехом можно применять в ключевых режимах. Быстродействие транзистора
соответствует быстродействию полевого. Значительная толщина закрытого перехода обеспечивает возможность работы со стоковыми напряжениями, составляющими сотни вольт. Площадь открытого перехода такова, что остаточные
сопротивления канала составляют сотые доли Ома.
а)
БСИТ
б)
С
З
И
Рис. 11.4. Биполярный транзистор с статической индукцией
Транзисторы характеризуются коэффициентом передачи по току. Этот
коэффициент показывает максимальное отношение между током стока и током
затвора транзистора, при котором транзистор работает в открытом режиме.
K =
З
С
I
I
5. (11.13)
11.4. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР (ШИМ)57
ШИМ обладает перемножающими свойствами U
ВХ
U0. В коэффициенте
передачи ШИМ KЗ присутствует произведение напряжений входного сигнала и
опорного напряжения, для которого осуществляется коммутация электронным
ключом. Вид конечной формулы коэффициента передачи определяется видом
развертывающего напряжения. При этом различаются так называемые:
• ШИМ1 — в качестве развертывающего напряжения используется пила,
модуляция длительности всегда осуществляется только по одному фронту;
• ШИМ2 — идет модуляция обоих фронтов.
57
URL: https://myrepititor.ru/sau/power-transistor-switches/shirotno-impulsnyy-modulyator-shim (дата об-
ращения: 12.08.2025).
106
а)
K
ГТН
U
ВХ
R
Н
СУ
U
0
б)
U
ВХ
t
U
m
U
K
t
t
U
Н
U
0
U
Нср
t
И
t
ВКЛ
T/2
Рис. 11.5. Широтно-импульсный модулятор
UВХ = Um –
T
4U
m
tИ, (11.14)
tИ =
−
m
ВХ
U
U
1
4
T
. (11.15)
T = 2tИ + t
ВКЛ
=
−
m
ВХ
U
U
1
2
T
+ t
ВКЛ
. (11.16)
t
ВКЛ
=
2
T
+
−
m
ВХ
U
U
1
2
T
=
2
T
+
m
ВХ
U
U
1
. (11.17)
KЗ =
T
t
ВКЛ
=
2
1
+
m
ВХ
U
U
1
. (11.18)
U
Нср
= U0 KЗ =
2
U
0
+
m
ВХ
U
U
1
. (11.19)
Оба эти типа относятся к линейным ШИМ. При нелинейности развертывающего напряжения можно автоматически стабилизировать среднее значение
напряжения на выходе перемножителя. ШИМ формирует сигнал для управления электронным ключом.
107
12. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ58
Термин «инструментальные» относится к усилителям, которые обладают
рядом ярко выраженных специфических свойств. К таким свойствам следует
отнести:
1. Способность работать со значительными уровнями синфазного напря-
жения.
2. Наличие высоких и сверхвысоких значений входного сопротивления.
3. Способность работать с датчиками, имеющими ярко выраженный ем-
костной характер выходного сопротивления.
4. Автоматическая коррекция смещения нуля.
5. Способность работы с удаленными датчиками за счет компенсации па-
разитных параметров линии передачи.
12.1. РАБОТА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
С БОЛЬШИМИ ЗНАЧЕНИЯМИ СИНФАЗНЫХ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ
Рис. 12.1. Схема усилителей с синфазными входными сигналами
ОУ DA1 и DA2 — обычные инвертирующие усилители.
58
URL: https://myrepititor.ru/sau/instrument-amplifier/instrumentalnye-usiliteli (дата обращения: 12.08.2025).
12.1. РАБОТА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С
R8
DA3
R1
VD2
VD1
DA2
R2
R4
R7
VD4
VD3
U1
U2
Uвых
R6
R8
DA3
DA1
R1
R3
R5
VD2
VD1
DA2
R2
R4
R7
VD4
VD3
U1
U2
Uвых
R6
R8
DA3
DA1
R1
R3
R5
VD2
VD1
DA2
R2
R4
R7
VD4
VD3
U1
U2
Uвых
A
B
108
По отношению к точке А и точке В схема на ОУ DA3 — алгебраический
сумматор.
Запишем уравнения для данной схемы:
65
6
3
RR
R
UU
ADA
+
=
+
,
87
7
87
8
3
RR
R
U
RR
R
UU
ВЫХBDA
+
+
+
=
−
,
87
7
87
8
65
6
RR
R
U
RR
R
U
RR
R
U
ВЫХBA
+
+
+
=
+
,
7
8
7
87
65
6
R
R
U
R
RR
RR
R
UU
BAВЫХ
−
+
+
=
,
1
3
1
R
R
UU
A
−=
,
2
4
2
R
R
UU
B
−=
.
В линейном режиме работы инвертирующего усилителя U
ВХ
= 0. Диоды
не влияют на характеристики работы инвертирующего усилителя.
65
87
71
63
1
72
84
2
RR
RR
RR
RR
U
RR
RR
UU
ВЫХ
+
+
−
=
.
На схеме вход U1 — инвертирующий, вход U2 — неинвертирующий. Ес-
ли R1 >> R3 и R2 > >R4, то K
UОУ
< 1.
Усилитель работает в линейном режиме при следующих условиях:
1.
max.max. ВЫХAВЫХ
UUU −
.
2.
max.max. ВЫХBВЫХ
UUU −
.
3.
max.max. ВЫХвыхВЫХ
UUU −
.
Нужно задаться амплитудой допустимого синфазного сигнала:
VU
СФ
ВХ
.
1
3
1
R
R
UU
A
−=
V
U
R
R
СФ
ВХ
1
3
.
1
1
1
R
R
U
U
I
U
I
U
R
ВХ
ВХ
R
ВХ
ВХ
ВХ
ВХ
====
.
Если
01.0
2
4
=
R
R
, то
71008 RR =
, если
01.0
1
3
=
R
R
, то
51006 RR =
, тогда:
109
12110001.0210001.0 UUUUU
ВЫХ
−=−=
.
Если входной синфазный сигнал превысит допустимый расчетный уровень, то в данной схеме это не приведет к выходу из строя усилителей DA1,
DA2, т.к. избыток токов входных резисторов R1, R2 замкнется через пару
встречновключенных диодов VD1, VD2 (VD3, VD4) при любой полярности
входного сигнала. Межвходное напряжение не превысит при этом напряжения
на прямосмещенном диоде, что защищает входы ОУ.
12.2. НАЛИЧИЕ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЗНАЧЕНИЙ
ВХОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ59
Схема инструментального усилителя при наличии высоких и сверхвысоких значений входных сопротивлений представлена на рис. 12.2. Запишем
уравнения для данной схемы:
5
6
5
56
43
4
R
R
U
R
RR
RR
R
UU
BAВЫХ
−
+
+
=
.
ОУ DA1 и DA2 работают в линейном режиме.
1
21
1
21
2
**
*
1
U
RRR
R
U
RRR
RR
UU
BADA
=
++
+
++
+
=
−
,
2
21
1
21
2
*
*
*
2
U
RRR
RR
U
RRR
R
UU
BADA
=
++
+
+
++
=
−
.
Пусть R3 = R4 = R5 = R6, тогда:
BAВЫХ
UUU −=
.
21
2121
*
*
*
*
UU
RRR
R
U
RRR
R
U
BA
−=
++
−
++
,
*
*
21
)21(
R
RRR
UUUU
BA
++
−=−
,
*
*
21
)21(
R
RRR
UUU
вых
++
−=
.
59
URL: https://tech-school.info/instrumental-amplifiers/ (дата обращения: 12.08.2025).
110
Рис. 12.2. Схема инструментального усилителя при наличии высоких
и сверхвысоких значений входных сопротивлений
Таким образом, получили усилитель с дифференциальным входом (вход
U1 с «–», а вход U2 с «+»), его коэффициент передачи определяется одним резистором R*.
Прецизионные свойства рассмотренной схемы обусловлены тем, что при
интегральном исполнении усилителей их напряжения приведенного к входу
дрейфа оказываются близкими.
Схема использует разностный принцип формирования входного сигнала,
следовательно, результирующий дрейф, приведенный ко входу, уменьшится по
сравнению с дрейфом собственно ОУ, по крайней мере, на порядок.
Для увеличения входного напряжения ОУ и уменьшения входной емкости применяется метод охранных колец, суть которого состоит в том, что потенциал охранных колец делают равным потенциалу жилы кабеля линии передачи, поэтому токи утечки замыкают на охранные кольца.
12.3. УСИЛИТЕЛИ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ НУЛЯ60
Схема усилителя с автоматической коррекцией нуля приведена на
рис. 12.3.
60
URL: https://myrepititor.ru/sau/instrument-amplifier/usiliteli-s-avtomaticheskoy-korrekciey-nulya (дата об-
ращения: 12.08.2025).
DA1D
DA3
R1
R3R3
R4
R5R5
R6R6
R
*
R2
U1
Uвых
А
U2
В
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]