Лабраб / 3 / Методички / Электронный ключ на биполярном транзисторе

1. Цель работы Целью работы является экспериментальное исследование статической передаточной

характеристики ключа, переходных процессов при его переключении и способов повышения быстродействия 2. Краткие теоретические сведения

Электронные ключи на биполярных транзисторах широко применяются в электронных ключевых устройствах, предназначенных для включения и выключения цепи нагрузки с помощью входных сигналов. Наибольшее распространение в ключевых схемах имеют транзисторы с ОЭ. Простейшая ключевая схема представляет собой транзисторный каскад усиления, управляемый перепадом входного напряжения.

Схема простейшего ключа на транзисторе n-p-n типа, включенного по схеме с общим эмиттером, показана на рис. 1.

Рис. 1.

В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения Uвx и резистор Rб, в коллекторной цепи - источник постоянного напряжения Ек и резистор Rк. Изменяя входное напряжения Uвx, можно управлять током коллектора Iк и, следовательно, напряжением на выходе транзисторного ключа Uвых.

2.1 Статический режим

Ключевая cxема в статическом режиме описывается статической передаточной характеристикой Uвых = f(Uвх), представленной на рис.2.

Рис. 2.

Статическая передаточная характеристика снимается при относительно медленных изменениях тока и напряжения. Транзисторный ключ характеризуется двумя устойчивыми состояниями - разомкнутым и замкнутым.

Область отсечки

При входном напряжении Uвх отрицательной полярности (Uвх < 0) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в области отсечки (разомкнутое состояние ключа), ток в коллекторной цепи очень мал (Iкбо порядка 10 мкА), а напряжение

близко к напряжению питания Ек. Активная область

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания транзистора Uотп, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную область. Выходное напряжение определяется соотношением

Область насыщения

При достаточно большом положительном напряжении Uвх, когда выполняется условие насыщения транзистора

транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе транзистора мало (Uост = 0,05..0,1 В), а ток насыщения коллектора определяется формулой

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров, неравенство (4) должно быть достаточно сильным. Для количественной оценки силы неравенства (4) вводят параметр S - степень насыщения

На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора Uбк = 0; при S > 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (Uбк > 0).

2.2. Переходный режим При ступенчатом изменении входного напряжения в схеме ключа происходят переходные

процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами: tз - задержка фронта;

tфp - время фронта,

tн - время накопления избыточного заряда; tp - время рассасывания избыточного заряда; tcp - время среза.

Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении входного сигнала показаны на рис.3.

Рис. 3.

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора Свх до напряжения отпирания Uотп. Время задержки фронта определяется

где входная емкость Свх равна сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов транзистора:

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток Iботп, а ток коллектора экспоненциально нарастает

где τв - эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания коллекторного тока.

τв = τβ + τк τβ - время жизни неосновных носителей в базе;

τк = Ск(э)*Rк - постоянная времени коллекторной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора. Поскольку внешние токи транзистора на данном этапе практически не изменяются, заряд накапливается благодаря термогенерации носителей, следовательно, скорость накопления определяется средним временем жизни носителей в базовом и коллекторном слоях τср. Процесс

накопления заряда заканчивается через время tн= 3*τср, которое называют временем накопления, при достижении величины заряда Q = Iботп*τср.

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения Е2 до значения - Е1, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может

восстанавливается обратное напряжение (Uбк < 0). После этого начинают уменьшаться коллекторные ток и напряжение. Длительность стадии рассасывания определяется выражением:

запирающих токах длительность стадии среза определяется формулой: tcp=τв*ln(l + Iбгр / Iбобр) .

Iбобр

При большом значении запирающего тока (Iбобр ≈ Iкн) транзистор оказывается в режиме динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки:

τотс ≈ 0,25*tпр + Ск*Rк ,

где tпр - время пролета носителей заряда через базу. Время среза выражается соотношением

tcp = 2,З*τотс .

Уменьшить время переходных процессов удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора Суск (рис.4), который позволяет увеличить токи базы Iботп и Iбобр на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

Рис. 4. 3. Описание стенда

Работа выполняется на универсальном стенде в лаборатории электроники кафедры ЭиЭ. На стенде размещены несколько блоков. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков (рис.5) универсального стенда и внешних дополнительных приборов и устройств: вольтметров, миллиамперметров, генератора импульсов, двухлучевого осциллографа.

Рис. 5.

4. Рабочее задание 4.1. Снять статическую передаточную характеристику траэис-торного ключа (рис. 6)

Uвых=f(Uвх), контролируя при этом ток базы Iб и напряжение Uкб. Напряжение Uвх изменять от Uвх= 0 до Uвх= 5 В с шагом 0,5 В.

Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рис. 6.

Определить ток базы насыщения Iбгр. Построить график передаточной характеристики. 4.2а. Исследовать переходные процессы при разных амплитудах входного импульса. Для этого на вход ключа подать положительные импульсы напряжения от генератора импульсов Uвх. Напряжение генератора импульсов и выходное напряжение электронного ключа (Uкэ) наблюдать на двухлучевом осциллографе. С помощью осциллографа измерить tфр, tp и tсp при трех значениях амплитуды входного напряжения Uвx: 1) Iботп = Iбгр, 2) Uвх приблизительно равно среднему значению между Uвх, соответствующему границе режима насыщения, и Uвх, соответствующему его максимальному значению, 3) Uвхсоответствует его максимальному значению.

4.2б. Параллельно базовому сопротивлению подключить конденсатор и повторить измерение пункта 4.2а.

Результаты измерений tфp, tp и tcp п.п. 4.2а и 4.2б занести в таблицу 2.

Таблица 2

Примечание: п.п. 4.2а и 4.2б рекомендуется выполнять параллельно, т.е. установить нужное Uвх при отключенном конденсаторе, измерить, например, tфр, подключить конденсатор и опять измерить tфр и т.д.

4.3. Моделирование характеристик ключа на биполярном транзисторе с помощью программы PSPICE.

4.За. Расчет статической передаточной характеристики. (Данные для транзистора - из лабораторной работы "Изучение характеристик биполярного транзистора". Номиналы сопротивлений, величины источников напряжения, параметры входного импульса соответствуют величинам, используемым при проведении лабораторной работы).

Рассчитать и распечатать зависимость выходного напряжения (узел 3) от входного напряжения (узел 1) (рис.7).

Рис. 7.

Исходные данные для программы PSPICE:

.DC Vin 0 5 0.1

.PROBE

.end

4.3б. Расчет переходной характеристики Рассчитать и распечатать зависимость выходного напряжения (узел 3) от входного

напряжения (узел 1, рис.7), меняющегося во времени. Исходные данные для программы SPICE:

ключ на биполярном транзисторе * Входное напряжение меняется от 0 до 5 Вольт с шагом 0.1 В