10.3. Расчет ключа на биполярном транзисторе

Обычно в инженерной практике исходными данными при расчете ключе- вых схем являются значения напряжений питания UИП , Uсм ; сопротивление нагрузки RН ; амплитуда выходного напряжения Uвых m ; параметры входного

сигнала U0пор и U1пор ; коэффициент насыщения транзистора S. В этом случае ре- комендуется следующий порядок расчета.

1.По заданным значениям UИП и Uвых m из (10.2) с учетом (10.6) рассчи- тывается сопротивление резистора RК и величина RК экв .

2.Рассчитываются значения тока коллектора и базы IК н , IБ н , соответст- вующие режиму насыщения, а также значение тока базы IБ m при максималь- ном значении входного напряжения Uвх m .

3.Сопротивление резистора R1 находится согласно выражению

полученному путем вычитания (10.8) из (10.13). Сопротивление резистора R2 находится согласно (10.8).

10.4. Практическое занятие

Цель:

1.Изучить принцип действия, основные характеристики и параметры электронных ключей на БТ.

2.Выполнить инженерный расчет насыщенного ключа на БТ.

3.С помощью пакета OrCAD провести анализ спроектированного ключа

иисследовать влияние элементов схемы на его основные параметры.

Порядок выполнения задания

1. Провести инженерный расчет элементов принципиальной схемы на- сыщенного ключа на БТ и его параметров. Исходные данные для расчета при- ведены в табл. 10.1. Для всех вариантов задания одинаковы следующие исход- ные данные: длительность импульса τи = 5 мкс , период повторения T = 10 мкс,

минимальный уровень входного импульса Uвх зап = 0 В. Амплитуда напряже- ния входного импульса определяется величиной порогового напряжения еди-

ницы Uвх m =1,1× U1пор .

146

1.1.Согласно описанному алгоритму провести расчет сопротивления ре- зисторов R1, R2 и R К принципиальной схемы ключа (см. рис. 10.1).

1.2.Пользуясь семействами входных и выходных ВАХ БТ, построить пе- редаточную характеристику ключа Uвых = f (Uвх ). Определить значения пара-

метров U0пор , U1пор , U0вых , U1вых .

1.3.Рассчитать параметры быстродействия ключа tвкл , tзад выкл , tсп , tнр U .

1.4.Результаты расчета свести в таблицу.

Таблица 10.1

Исходные данные для расчета

2. С помощью пакета OrCAD провести анализ характеристик рассчитан- ного ключа.

2.1.Создать документ программы Schematics, содержащий показанную на рис. 10.4 схему ключа. В схеме использовать источники постоянного напря- жения VDC. Номинальные значения элементов схемы должны соответствовать рассчитанным. При использовании БТ со структурой p-n-p необходимо из-

менить полярность подключения источников напряжения на противоположную.

2.2.Провести расчет передаточной характеристики ключа, используя возможности анализа DC Sweep. Для этого в параметрах анализа DC Sweep не- обходимо задать изменение источника входного напряжения V1 в диапазоне значений от 0 до 1,5 × Uвх m с шагом 0,01 В. С помощью программы Probe вы-

вести зависимость коллекторного напряжения транзистора от напряжения V1. По графику определить значения параметров ключа U0пор , U1пор , U0вых , U1вых .

Сравнить результаты машинного анализа с исходными данными и резуль- татами инженерного расчета. Если есть различие, чем его можно объяснить?

147

2.3. Создать документ программы Schematics, содержащий показанную на рис. 10.4 схему ключа, в которой источник напряжения V1 – это источник импульсного напряжения VPULSE. Установить параметры входного импульс- ного напряжения согласно исходным данным:

нижний уровень напряжения VOFF = Uвх зап максимальное значение напряжения VAMPL = Uвх m ;

начало переднего фронта TD = τи 2;

длительность переднего фронта TR = 0 ; длительность заднего фронта TF = 0 ; длительность плоской части импульса TAU = τи ;

период повторения T = T.

Рис. 10.4

2.4. Используя вид анализа Transient, провести расчет формы выходного напряжения ключа. Для этого установить параметры анализа Transient следую- щим образом: шаг вывода данных и максимальный шаг интегрирования (Print Step и Step Ceiling) задать одинаковой величины, равной T200; конечное время

расчета (Final Time) задать равным 2 × T . С помощью программы Probe вывести временную зависимость коллекторного напряжения и определить параметры бы- стродействия рассчитанного ключа tвкл , tзад выкл , tсп , tнр U .

Сравнить результаты машинного анализа с исходными данными и ре- зультатами инженерного расчета. Если есть различие, чем его можно объяс- нить?

2.5. Используя возможности многовариантного анализа Parametric, ис- следовать влияние емкости нагрузки Cн на форму выходного сигнала.

148

С помощью элемента Parameters определить глобальный параметр – CN. Ис- пользуя его, задать значение емкости конденсатора C1= Cн . Включить много- вариантный анализ Parametric, определив в нем изменение глобального пара- метра CN списком значений: Cн / 2, Cн , 2×Cн .

Как влияет увеличение емкости нагрузки на параметры быстродействия ключа?

10.5.Контрольные вопросы

1.Какие устройства называют электронными ключами?

2.Каково напряжение на выходе ключа в закрытом и открытом состояниях?

3.Опишите принцип действия электронных ключей на БТ, их недостатки

итребования к идеальному ключу.

4.Поясните порядок построения передаточной характеристики ключа на БТ.

5.В ключе (см. рис. 10.1, а) под действием входного напряжения транзи- стор находится на границе режима насыщения. Как изменится режим работы транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2?

6.Приведите статические и динамические характеристики электронных

ключей.

7.Параметры каких элементов определяют быстродействие электронных ключей на БТ?

8.Как влияют параметры БТ на быстродействие ключа?

9.Как влияют элементы схемы ключа на его передаточную характеристику?

10.Опишите способы повышения быстродействия ключей на БТ.

11.Как влияет емкость нагрузки на быстродействие ключа?

12.Как изменится время спада ключа (см. рис. 10.1, а), если увеличить

сопротивление резистора R К ?

149