Промышленная электроника

19

Контрольная работа № 1.

Вариант 420.

Задача № 1. Рассчитать основные статические параметры транзистора, а также показатели динамического режима транзисторного усилителя с использованием данного транзистора графоаналитическим методом. Составить принципиальную схему усилительного каскада, предусмотрев в ней элементы, обеспечивающие начальный режим (положение точки покоя) и температурную стабилизацию.

Дано: Тип транзистора МП25.

Структура: p – n – p

Для определения основных статических параметров транзистора удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Для описания свойств транзистора по переменному току чаще всего используется система h–параметров, которая представляется следующими уравнениями:

dU₁ = h₁₁dI₁ + h₁₂dU₂;

dI₂ = h₂₁dI₁ + h₂₂dU₂.

Для нахождения h–параметров по статическим характеристикам используем выражения, позволяющие определить физический смысл h–параметров:

 – входное сопротивление в режиме короткого замыкания (КЗ) на выходе;

 – коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (ХХ) по входу;

 – коэффициент передачи по току в режиме КЗ на выходе;

 – выходная проводимость в режиме ХХ по входу.

Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ.

Рис. 1 а) Входные характеристики; б) выходные характеристики транзистора МП25.

Выполним расчет h-параметров БТ с ОЭ. Для определения параметров и в заданной рабочей точке А (, , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис. 1,а. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

= = 1 ,2 кОм - входное сопротивление.

= = 0,044

- коэффициент обратной связи.

Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. В окрестности точки А' (, , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения как показано на рис. 1, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

= = 20 - коэффициент усиления по току.

= = 0,4 ∙ 10^-3 См

- выходная проводимость.

Значения приращений входного и выходного напряжения должны выбираться таким образом, чтобы вспомогательные точки на графиках находились на их линейных участках, как это показано на рис. 1.

По рассчитанным значениям h – параметров определим первичные параметры схемы с общим эмиттером (ОЭ):

- сопротивление коллекторного перехода:

r_к = = = 525 кОм

- сопротивление эмиттерного перехода:

r_э = = = 105 Ом

- сопротивление цепи базы:

r_б = h11+ rэ ( 1+ h21) = 1,2 ∙ 10 ³+105( 1+ 20) = 3,4 кОм

Нарисуем схему усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией и выполним расчет элементов схемы, задающих рабочую точку. Выполним графоаналитический расчет усилительного каскада в режиме класса «А». При расчетах используем выходные статические характеристики транзистора.

Рис.2. Схема усилительного каскада на БТ.

Дано:

Тип транзистора МП25.

Структура: p – n – p

Выбираем из справочника параметры транзистора МП25:

h_21э =  = 13…25

I _{к max} = 0,3 А

U _кэ = 40 В

Р _{к max} = 25 мВ

f = 0,2 МГц

1. Выполним графоаналитический расчет усилительного каскада.

На рисунке 3 изображены статические характеристики транзистора МП25.

Рис.3. Графо - аналитический расчет усилителя

Зададимся напряжением источника питания Ек =10 В.

Построим линию нагрузки каскада. Она строится по двум точкам. На выходных характеристиках (рис. 3,б) определяем положение точки покоя с координатами U _ко = Е _к /2 =5 В; Iко = 10 мА ( точка Р). Вторую точку получим из уравнения динамического режима:

U_кэ = Е _к  - I _К0 ∙ R _к  (1)

Примем Iк = 0 и подставим в уравнение (1), получим

U_кэ = Е _к = 10 В (точка А).

Через точки А и Р проводим линию. Она пересечет ось Iк в точке В, соответствующей U _кэ =0.

При этом Iк м = 20 мА.

Подставим это значение в уравнение (1), получим значение сопротивления коллекторной нагрузки :

R_к = Е _к / Iк м = 10 / 20·10 ^-3 = 500 Ом

Выбираем из стандартного ряда Е12 значение Rк = 510 Ом.

Положение рабочей точки Р на выходных характеристиках соответствует току базы I_{Б 0} = 0,6 мА. По значению тока базы I_{Б 0} определяем положение рабочей точки Р₁ на входных характеристиках (рис. 3,а). Выбор рабочей точки Р на семействе выходных характеристик должен обеспечить положение точки P₁ на входной характеристике на её линейной части во избежание значительных нелинейных искажений .

По обе стороны от точки Р₁ откладываем равные отрезки, что соответствует режиму класса «А», и опускаем проекции на оси I_Б и U_Бэ.  По проекциям рабочего участка на оси координат определяем двойные амплитуды переменных составляющих входного тока и входного напряжения 2I_Б.M и 2U_БЭ.М. Так как 2U_БЭ.М = 2Uвх м = 0,44 - 0,3 = 0,14 В, то амплитуда входного напряжения:

Uвх м =0,14 / 2 = 0,07 В

Из рис.3,а находим 2I_Б.M = 1,0 – 0,2 = 0,8 мА.

Значит: I_Б.M = 0,8/2 = 0,4 мА.

На выходных характеристиках (рис.3,б) по обе стороны от точки Р откладываем отрезки, равные ∆ I_Б = I_Б.M = 0,2 мА, получим точки Р' и Р''. Из этих точек опускаем проекции на оси I_к и U_Кэ определяем двойные амплитуды выходного тока и выходного напряжения 2I_К.M и 2U_КЭ.М.

Так как 2I_К.M =14 – 8 = 6 мА, а 2U_КЭ.М = 2Uвых м = 6 – 3 = 3 В, то амплитуды выходных тока и напряжения: I_К.M = 6 /2 = 3мА; U _{вых м} = 3/2 = 1,5 В.

2. Выполним расчет элементов схемы, задающих рабочую точку.

Рассчитаем сопротивления делителя напряжения на   резисторах  R₁ , R_2. Определим максимальный ток базы I_{б мах,} соответствующий минимальному значению  коэффициента усиления по току h₂₁э = 13 (из справочника для транзистора МП25): I_{б мах} = I_К0 / h₂₁э = 10 /13=0,8 мА Выбираем   ток   делителя   на   резисторах  R₁ , R_2.  При этом воспользуемся соотношением:

I_ДЕЛ =(8…10) I_{б мах}  I_ДЕЛ = 10·0,8 = 8 мА       Находим сумму сопротивлений ( R₁ + R₂): ( R₁ + R₂) = Е_К / I_ДЕЛ =10 / 8· 10 ^-3 = 1,25 кОм        Определяем напряжение U _R2 = U _RЭ + U _БЭ 

    Напряжение U _RЭ выбирают из соотношения: U _RЭ = (0, 1 ... 0,3) Е_К = 0,1 · 10 = 1 В       При этом считаем, что U _БЭ = (0,6. . .0,7)В U _R2 = 1 + 0,6=1,6 В      Определяем сопротивление R₂: R₂ = U _R2 / I_ДЕЛ =1,6 /8 ·10 ^-3 = 0,2 кОм      Используя вычисленное  (R₁ + R₂), получаем:  R₁=( R₁ + R₂ ) - R₂ = 1,25 - 0,2 = 1,05 кОм 

Выбираем из стандартного ряда Е12 значения R₁=1 кОм; R₂ = 200 Ом. Расчет схемы термостабилизации.  Учитывая, что I_К ≈ I_Э определяем R_э: R_э = U _RЭ / I_К0 = 1 / 10 ∙10 ^-3  = 100 Ом

Выбираем R_э = 100 Ом.

Выбираем из стандартного ряда Е12 значение конденсатора Сэ= 1000 мкФ. Конденсатор должен быть рассчитан на напряжение не менее 10 В.

3. После этого можно найти полезную выходную мощность: Р_вых = 0,5 I_К.M U_вых.М = 0,5• 6 •10 ^-3 • 1,5 = 4,5 мВт

Полная мощность, потребляемая в коллекторной цепи постоянной составляющей:

Р_о = Е_к I_К.0   = 10• 10 •10 ^-3  = 100 мВт

КПД каскада: η = Р_вых/ Р₀ = 4,5 / 100 = 0,045 = 4,5 %

Мощность, рассеиваемая в коллекторной цепи постоянной составляющей: Р_к0 = Uко I_К.0   = 5• 10•10 ^-3  = 50 мВт

4. Коэффициент усиления по напряжению:

К_U = U _{вых м} / U _{вх м} = 1,5 / 0,07= 21

Коэффициент усиления по току:

К_I = I _км / I _бм = 6 •10 ^-3  /0,4 •10 ^-3 = 15

Коэффициент усиления по мощности:

К_Р = К_U К_I = 21•15 = 315

5. Входное сопротивление:

R_вх =U_БЭ.М / I_Б.М = 0,07/ 0,4 •10 ^-3 = 0,1•10 ³ = 175 Ом

Задача № 2. Произвести расчет транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме.

Дано:

Тип транзистора МП42Б (структура p-n-p).

Параметры МП42Б:

h_21э = b = 45…100

I _{к max} = 100 мА

U _{кэ max} = 15 В

Р _{к max} = 200 мВ

Рис. 4. Расчетная схема закрытого транзисторного ключа.

Рис. 5. Выходные характеристики транзистора МП42Б

Решение.

Расчет транзисторного ключа производим по заданному типу транзистора, исходя из условий:

I _КН = ( 0,4…0,6) I _Кmax ;

E _К = 0,5 U _{КЭ max} ;

Е см = 6 В;

Напряжение помехи U _ПО = (0,2…0,5) В. Примем U _ПО = 0,4 В

1). Построим нагрузочную прямую (рис. 5).

Для транзистора МП42Б: U _{КЭ max} = 15 В; I _Кmax = 100 мА

Тогда выберем: E _К = 0,5 U _{КЭ max} = 0,5  ∙ 15 = 7,5 В

I _КН = ( 0,4…0,6) I _Кmax = 0,4  ∙ 100 = 40 мА

Через точки с координатами ( I _К = 0; E _К =7,5 В) и (U _КЭ = 0 ; I _К = I _КН = 40 мА) проводим нагрузочную прямую.

2). Найдем сопротивление коллекторной нагрузки из уравнения динамического режима транзистора:

U _кэ = Е _к  - I _к ∙ R _к

При U _КЭ = 0 ; R _к = = = 187 Ом.

Выберем из стандартного ряда Е12: R _к = 200 Ом.

3) Расчет сопротивлений R _см и R _с производим путем совместного решения двух систем уравнений , составленных по законам Кирхгофа для открытого и закрытого состояний транзисторного ключа VT2.

Для закрытого транзистора при условии влияния помехи, воздействующей на открытие I _ПО, уравнения имеют вид:

В этой системе неизвестными являются R _см и R _с..

Для открытого ключа при условии (когда транзистор управления VTу закрыт) :

Где I с = 3 мА – ток связи открытого транзистора.

Ток базы I _б = I _Кmax / h_21э = 100/ 50 = 2 мА

Из справочника для МП42Б:

U _{ЭБ З} = 4 В

U _{ЭБ 0} = 0,2 В

I _К0 = 2 мА

U _КЭ0 = 3,5 В

I _П0 = 1 мА

I _{К0 t} = 2,4 мА

Примем U _ПО = 0,4 В

Подставим числовые значения величин в уравнения и решим относительно R_см и R _с..

Найдем: I _СМЗ = I _К0 + I _П0 = 2 + 1 = 3 мА

I _СМ0 = I _б - I _С0 = 2 - 0,05 =1,95 мА

R ку = (E _К - U _КЭ0)/ I _К0 = (7,5 – 3,5)/ 20•10 ^-3 = 400 Ом

Для закрытого транзистора система уравнений будет иметь вид:

6 = 3•10 ^-3  R_см + 4 (1)

4 + 0,4 + 0,35 =2•10 ^-3 ∙ R _с (2)

Из (1): R_см = (6 – 4 ) / 3•10 ^-3  = 0,67•10 ³ = 670 Ом

Из (2): R_с = 4,75/ 2•10 ^-3  = 2,4•10 ³ = 2,4 кОм

Для отрытого транзистора система уравнений будет иметь вид:

6 = 3•10 ^-3• R_см - 0,2 (3)

7,5 = 400 (0,05•10 ^-3 +2,4 •10 ^-3) + 3 ∙ R _с + 0,2 + 1,5 (4)

Из (3): R_см = (6 + 0,2) / 10 •10 ^-3 = 620 Ом

Из (4): R_с = (7,5 – 0,02 - 0,96 – 1,7)/ 3 = 1,6 кОм

Сопоставляя полученные значения сопротивлений R _см и R _с., видим, что R_с получилось в обоих расчетах примерно одинаковым. Примем из стандартного ряда Е12 R _с = 2,4 кОм. Для сопротивления R _см возьмем значение R_см = 680 Ом.

4) Сопротивление нагрузки R _н должно быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением R _к = 680 Ом.

Примем R _н = 10 R _к = 10 ∙ 680 = 6,8 кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки транзистора управления примем равным R _к = 680 Ом.

Тип транзистора возьмем тот же – МП42Б.

Задача № 3. Для данного типа триггера выбрать тип транзистора , рассчитать параметры схемы и вычертить потенциальные диаграммы выходных сигналов при очередной подаче на входы импульсов экспоненциальной формы.

Дано:

Триггер с резисторными связями.

U_m = 14 B

f _max = 80 кГц

Рис. 6. Симметричный триггер с резистивными связями.

Решение.

1. Выбор транзистора.

Определяем напряжение источника питания:

Е_к = ( 1,1…1,2) U_m + U_{Э макс}

где: U_{Э макс} ≈ 1…2 В.

Е_к = 1,2∙14 + 2 » 20 В

U _КБмакс ³ 2 Е_к = 2∙ 20 = 40 В.

Требуемое значение предельной частоты:

f _h21б ³ f _max / 0,7 = 80 ∙10³/ 0,7 = 114 кГц

Выбираем транзистор КТ315А, у которого U_{КЭ макс} =100 В;

h_21Э = 30…120;

f _h21б = 250 МГц;

I _КБО = 0,2 мА;

I _{К макс} = 0,15 А.

Примем для расчетов h_21Э = 50.

2. Найдем сопротивление резисторов R_к1 = R_к2 = R_к:

R_к > Е_к / I _Кмакс = 20/ 0,15 = 133 Ом

Выберем резистор R_к = 150 Ом.

3. Емкости ускоряющих конденсаторов С1= С2 = С:

С ≈ = = 3,6 ∙= 3600 пФ

где: = » = 0,16 ∙c

4. Найдем сопротивление резисторов R_см1 = R_см2 = R_см:

R_см £ = = 1,4 кОм

где: T_min = = = 0,01∙ = 0,01 мс

Примем: R _см = 1, 5 кОм.

5. Найдем сопротивление резисторов связи Rс₁ = Rс₂ = R.

Для схемы триггера К _нас = 1,5…2. Принимаем К _нас = 2, тогда:

R ≈ - = – 150 = 3600 = 3, 6 кОм

8. Определим период повторения запускающих импульсов:

Т _зап = 1/ f = 1/ 100∙ = 10∙ = 10 мкс

Потенциальные диаграммы выходных сигналов при очередной подаче на входы импульсов экспоненциальной формы изображены на рис. 7:

Рис. 7. Временные диаграммы работы триггера

Задача 4. Рассчитать параметры схемы мультивибратора, если: нестабильность периода колебаний Т = (5…10) %( либо нестабильность длительности импульса ∆ t _И);

частота генерируемых импульсов f = 5000 Гц;

температура окружающей среды t ˚  60˚ С.

а)

б)

Рис. 8. Схема (а) и временные диаграммы работы мультивибратора (б).

Решение.

Выбираем из справочника параметры транзистора МП25:

h_21э =  = 13…25

I _{к max} = 0,3 А

U _кэ = 40 В

Р _{к max} = 25 мВ

f = 0,2 МГц

1. Напряжение источника коллекторного питания примем:

Е_к = 0,5 U _{кэ доп} = 0,5∙40 = 20 В

2. Относительная нестабильность периода колебаний Т = (5…10) % (по заданию).

Примем Т = 10 %.

3. Сопротивления в базовых цепях вычислим по формуле:

В схеме рис. 7,а R_б1 =R₁; R_б2 = R₂

Примем I _ко = 1% = 0,1

R₁ = R₂ = R = = 934 Ом

Выберем из стандартного ряда Е12 значение сопротивления R = 1 кОм.

4. Сопротивления в коллекторных цепях:

R_к1 = R _к2 = R_к = 77 Ом,

Примем R_к = 100 Ом.

5. Период генерируемых колебаний определяется по формуле:

(1)

Так как Т = = = 200 = 200 мкс , то из формулы (1) определим емкости конденсаторов связи:

В схеме рис. 7: Сб = С₁= С₂ = С.

С = = =

= = 1∙10 ^-7 = 100∙10 ^{- 9} = 100 нФ

6. Для симметричного мультивибратора длительность импульсов:

t_и1 = t _и2 = Т/ 2 = 200 /2 = 100 мкс