Цель: закрепление теоретических знаний по теме «Ключи на биполярных транзисторах» и приобретение практических навыков расчета параметров электронного ключа на биполярном транзисторе, снятие характеристик с осциллографа.
Задачи: сформировать умение рассчитывать параметры элементов схемы электронного ключа на биполярном транзисторе, рассчитать время включения и выключения электронного ключа, умение пользоваться справочной литературой, научить студентов применять теоретические знания на практике, организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество
Материалы, оборудование, ТСО, программное обеспечение: ПО Multisim 17, ПК, рабочая тетрадь по электронной технике
Литература, информационное обеспечение:
1. Москатов Е.А. Основы электронной техники. Учебное пособие - Ростов н/Д.: Феникс, 2014.
2. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.И. Электронные приборы и усилители. Учебник - М.: Либрком, 2010.
3. Горшков Б.И., Горшков А.В. Электронная техника - М.: Академия, 2010.
Порядок выполнения практической работы:
Краткие сведения:
Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники является ключевое устройство. Ключевые устройства (ключи) служат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов. Ключи входят в качестве отдельных элементов в состав сложных устройств: триггеров, мультивибраторов и т. д. Ключ может находиться либо в замкнутом, либо в разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии (ключ включен) сопротивление ключа мало, через него течет большой ток и все напряжение источника выделяется на резисторе R. Напряжение на выходе Uвых равно нулю. В разомкнутом состоянии (ключ выключен) сопротивление ключа бесконечно большое, поэтому ток через него практически не протекает. Напряжение на выходе Uвых равно Е. Следовательно, при коммутации ключа на выходе создаются перепады напряжения с амплитудой Um=E.
Для построения электронных ключей используют диоды, транзисторы, электронные лампы и т. д. В зависимости от того, какой прибор использован, различают диодные, транзисторные, ламповые и т. п. ключи.
При создании транзисторных ключей используются биполярные или полевые транзисторы.
Принцип работы ключа. В качестве основного примера рассмотрим транзисторный ключ на кремниевом транзисторе типа п-р-п. Такие ключи являются одним из основных элементов цифровых интегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, когда транзистор закрыт и ключ разомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае транзистор открыт и ключ замкнут.
Рисунок 1 – Схема электрическая принципиальная ключа
Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение Uвх. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала Uвых=U0. Включенное состояние обеспечивается высоким положительным уровнем входного сигнала Uвых=U1. Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе сохраняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограничивает ток базы,, Rк - коллекторная нагрузка, Ек - источник коллекторного напряжения. Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рисунке 2.
Рисунок 2 – ВАХ транзистора
Особенностью входных характеристик кремниевого транзистора является наличие достаточно большого порога отпирания Uп. При напряжении на базе, меньше порога отпирания, транзистор всегда закрыт.
Для анализа работы ключа на семейство выходных характеристик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенному сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек и Ек/Rк. При изменении базового тока iб рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый момент времени коллекторный ток, напряжение между коллектором и эмиттером и режим работы транзистора.
Режимы транзистора. В соответствии с функциями ключа транзистор может находиться в одном из двух статических режимов: режиме отсечки (транзистор закрыт) и режиме насыщения (транзистор открыт и насыщен). Активный режим работы обусловлен переходом из одного статического режима в другой.
Режим отсечки (транзистор закрыт). На входе действует напряжение Uвх=U0. В этом режиме ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода. Напряжение на выходе ключа практически равно напряжению источника питания Uвых=Ек (определяя Uвых, необходимо суммировать все напряжения, проходя по внешней цепи от коллектора к эмиттеру).
Рабочая точка находится в точке А на нагрузочной прямой (рисунок 2). Для обеспечения такого режима в кремниевых транзисторах необходимо выполнить условие: Uп > Uвых=U0 .
Напряжение Uбэ, приложенное к базе транзистора, определяют, проходя от базы к эмиттеру по внешней цепи (рисунок 1). Оно равно сумме двух составляющих: падения напряжения на сопротивлении R от тока Iкбо и остаточного напряжения источника входного сигнала Uвых=U0 , которое, как правило, снимается с другого аналогичного ключа и не равно нулю (см. ниже режим насыщения). Оба напряжения имеют одинаковую полярность и стремятся открыть эмиттерный переход.
Таким образом, Uбэ=U0+R*Iкбо и условие отсечки для кремниевых транзисторов определяется неравенством: Un > U0 + R*Iкбо .
Это условие должно выполняться при максимальной температуре коллекторного перехода, когда напряжение Un минимально, а обратный ток коллектора максимален. Нужно иметь в виду, что ток Iкбо кремниевых транзисторов достаточно мал.
При выполнении условия отсечки оба перехода транзистора будут закрыты. Коллекторный переход (верхний по схеме) смещен в обратном направлении, так как напряжение на коллекторе равно +Ек. Учитывая это, часто считают, что в режиме отсечки все выводы транзистора разъединены.
Активный режим (транзистор открыт, но не насыщен). Напряжение на входе лежит в пределах Un < Uвх < U1 . В этом режиме транзистор находится короткое время, равное времени переключения из одного статического состояния в другое. Через электроды транзистора протекают прямые токи базы, коллектора и эмиттера. При изменении Uвх меняется ток базы и рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой от точки А к точке Б (рисунок 2). Входной (базовый) и выходной (коллекторный) токи связаны между собой линейно с помощью статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером Iк=I*h21. Напряжение на выходе равно разности напряжений источника коллекторного питания и падения напряжения на Rк от тока коллектора, протекающего через коллекторный переход:
С увеличением тока базы увеличивается коллекторный ток. Это ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rк, а следовательно, и уменьшению напряжения на коллекторе Uк=Uвых. При некотором токе базы, называемом током базы в режиме насыщения Iбнас, рабочая точка попадает в точку Б (рисунок. 2), которой соответствует значение коллекторного тока Iкнас, называемое током коллектора в режиме насыщения, и транзистор переходит в режим насыщения.
Режим насыщения (транзистор открыт и насыщен). В режиме насыщения на входе действует напряжение Uвх = U1, которое вызывает появление тока, втекающего в базу iб > Iбнас. Этот ток соответствует границе между активным режимом и режимом насыщения (точка Б). В этой точке ток базы еще связан линейной зависимостью с током коллектора.
В режиме насыщения транзистор полностью открыт, т. е. оба перехода смещены в прямом направлении, и коллекторный ток ограничивается только резистором Rк. Пренебрегая падением напряжения на открытом транзисторе, можно записать: Iк = Iк нас = Ек/Rк.
Выходное напряжение ключа Uвых= U0, где U0 - остаточное напряжение на коллекторе открытого транзистора.
Для количественной оценки глубины насыщения часто используют понятие коэффициента насыщения S, который показывает, во сколько раз ток Iб , втекающий в базу транзистора, превышает ток базы, при котором транзистор оказывается на границе насыщения S=Iб/Iбнас.
Поскольку на границе насыщения напряжения между выводами транзистора составляют доли вольта, а дифференциальные сопротивления значительно меньше внешних сопротивлений ключевого устройства, часто считают, что все выводы транзистора в этом режиме замкнуты между собой и транзистор представляет собой точку.
Динамический режим ключа. При анализе работы транзисторного ключа предполагалось, что переход его из состояния ВЫКЛЮЧЕНО в состояние ВКЛЮЧЕНО происходит мгновенно. В действительности, даже если подавать на вход ключа идеальный прямоугольный импульс или перепад, соответствующие изменения выходного напряжения будут происходить не мгновенно, а в конечные промежутки времени, определяемые длительностью переходных процессов.
Инерционные факторы, влияющие на работу ключа. Возникновение переходных процессов объясняется инерционными свойствами, которыми обладают как сам транзистор, так и внешние цепи, подключенные к нему. Инерционность таких цепей связана с наличием паразитных емкостей (монтажа, нагрузки и т. д.), которые при переключении ключа заряжаются и разряжаются за конечное время. Учтем эту емкость введением в схему ключа некоторой нагрузочной емкости Сн (рисунок 3).
Рисунок 3 - Схема, учитывающая инерционные свойства транзистора, и их влияние на параметр h21
Инерционность транзистора, обусловленная процессами накопления и рекомбинации заряда в базе при коммутации ключа, называется внутренней, а инерционность транзистора, вызванная наличием барьерных емкостей переходов, называется внешней.
Внутренняя инерционность транзистора учитывается введением некоторой постоянной времени r. В процессе работы транзистора под действием тока в базе накапливается заряд. Время, в течение которого число неосновных носителей в базе уменьшается в е раз (где е-основание натурального логарифма), обозначается постоянной времени r. Постоянная времени r определяет внутренние инерционные свойства транзистора в схеме с общим эмиттером и называется временем жизни неосновных носителей в базе. Время жизни неосновных носителей в базе зависиn от режима работы и типа транзистора. Так, при работе дрейфовых транзисторов в режиме насыщения постоянная времени, обозначаемая Тнас, увеличится, Тнас=(2-6)*r.
Внутренняя инерционность - общее свойство транзистора - проявляется не только в ключевом, но и в усилительном режиме работы транзистора. В усилительном режиме наличие внутренних инерционных свойств приводит к тому, что динамический коэффициент передачи по току h21 зависит от частоты. Так как на практике эту зависимость легко измерить, то параметр r определяют, пользуясь этой зависимостью.
Время жизни носителей оказывается обратно пропорциональным частоте, на которой коэффициент передачи равен 1.
Следует иметь в виду, что такую же зависимость коэффициента передачи от частоты имеет не только транзистор, но и интегрирующая цепь. Поэтому упрощенно можно полагать, что переходные процессы, возникающие вследствие внутренней инерционности транзистора, описываются дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени τ. В этом случае для расчетов применимо общее соотношение, являющееся решением дифференциального уравнения первого порядка с постоянной правой частью.
Барьерные емкости Су и Ск, являющиеся причиной внешней инерционности транзистора, нелинейны и зависят от приложенных к переходам напряжений. Усреднив их по всему диапазону напряжения, Сэ и Ск можно отнести к внешней схеме ключа, как постоянные. Поэтому Сэ и Ск и называют внешними инерционными параметрами транзистора.
При работе транзистора в активном режиме возникает обратная связь с коллектора на базу транзистора через емкость коллекторного перехода Ск, что также является причиной внешней инерционности транзистора. Внешнюю инерционность из-за действия обратной связи через Ск учитывают, вводя постоянную времени rк. Общая постоянная времени транзистора в схеме ключа для активного режима равна сумме постоянных времени, обусловленных внутренними и внешними инерционными факторами транзистора.
Описание переходных процессов. Рассмотрим переходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. Временные диаграммы, иллюстрирующие изменение тока базы iб(t), заряда Q(t), тока коллектора iк(t) и т. д. изображены на рисунке 4.
Исходное состояние. В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки, поскольку напряжение на входе Uвх= U0 меньше порога отпирания. Рабочая точка на семействе выходных характеристик находится в точке А.
Включение. В момент t=t1 на вход ключа подается положительный импульс, амплитуда которого больше порогового значения. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время действия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздействием входного перепада тока транзистор переходит последовательно из области отсечки в активную область и далее в область насыщения.
Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделяют на два этапа: задержка включения (или подготовка включения) и формирование фронта выходного импульса.
Задержка включения. Интервал времени t1-t2 от момента подачи входного импульса до начала нарастания коллекторного тока, определяет время задержки включения tз. Транзистор в это время находится в режиме отсечки.
Рисунок 4 – Временные диаграммы процесса переключения транзистора
Возникновение задержки при включении ключа объясняется зарядом барьерных емкостей Сэ и Ск током БАЗЫ. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U0, стремясь к U1. В тот момент, когда напряжение на базе достигает порогового значения Un, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит из режима отсечки в активный режим.
Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержки не меняет своего положения.
Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени τз=R(Ск+Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.
Формирование фронта происходит в интервале t2-t3 . В момент времени t2 напряжение на базе становится равным пороговому, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начинается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу. По мере увеличения заряда увеличивается ток коллектора, который пропорционален Q(t), и уменьшается напряжение на коллекторном переходе. Скорость накопления заряда в базе определяет скорость нарастания коллекторного тока.
В момент t3, когда заряд достигает граничного значения, коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока прекращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи: Iк = Iк нас = Ек/Rк.
За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (рисунок 2). Интервал времени t2-t3, в течение которого коллекторный ток меняется от 0 до Iк нас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в активном режиме.
Накопление избыточного заряда. После окончания формирования фронта в момент времени t3 транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направлении. Коллекторный ток практически постоянен и равен Iк нас . Однако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарному значению, определяемому входным током.
Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток базы превышает значение Iб нас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк. В противном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемый током базы. Необходимо отметить, что при переходе транзистора в режим насыщения изменяется время жизни неосновных носителей в базе, которое для области насыщения обозначается символом Тнас и называется постоянной времени транзистора в области насыщения. Постоянная времени Тнас определяет как процесс накопления, так и стационарный уровень заряда в базе. Стационарного значения заряд достигает за время, не меньшее, чем 2,3*Тнас после начала накопления. Если длительность входного импульса меньше этого значения, то заряд в базе к концу будет меньше Qст.
В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой остается в точке Б.
Выключение. В момент времени t4 действие входного отпирающего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации заряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.
Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование спада импульса.
Рассасывание избыточного заряда происходит в течение интервала времени t4-t5. Этот процесс является причиной возникновения задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носителей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Qст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора постоянен и равен Iкнас, а Uк=Uкнас=U0.
Время, в течение которого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения после окончания входного импульса, называется временем рассасывания.
К концу процесса рассасывания положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.
Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t5, когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. В течение интервала t5-t6, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Qrp до нуля, рабочая точка на нагрузочной прямой возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от Iк нас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t6 транзистор запирается и Iк=0.
Далее в течение некоторого времени t6,-t7 происходит изменение заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время этого процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанавливается исходное напряжение Uo.
Вопросы допуска:
1 Какие устройства могут реализовывать функции электронного ключа?
2 Для чего предназначен электронный ключ?
3 По каким параметрам можно осуществить выбор и качественную оценку работы электронного ключа?
4 Как называется характеристика, поясняющая принцип действия электронного ключа.
5 В каких устройствах могут быть использованы электронные ключи?
6 Для каких целей используются электронные коммутаторы?
7 Сигналы, какой формы могут быть использованы для управления коммутатором?
8 В какой зависимости находится количество входов и выходов коммутатора.
Задание 1:
- исследовать осциллограмму биполярного транзистора, работающего в качестве электронного ключа;
- рассчитать Uвкл и Uвыкл;
- рассчитать время включения и выключения электронного ключа.
Содержание отчета:
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема.
Рисунок 1 – Схема электронного ключа на биполярном транзисторе
Рисунок 2. Схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе
3 Таблица для исследования временных диаграмм электронного ключа
| % изменения Rвх, С | Осциллограмма |
| 0% | |
| 50% | |
| 100% |
Порядок выполнения работы:
1 Исследовать влияние тока базы.
Отключить ускоряющий конденсатор.
С помощью входного подстроечного резистора 2кОм и клавиш «Shift» и «R», «R» установить % изменения величины сопротивления равным 0.
Включить режим моделирования и перечертить осциллограмму в таблицу исследований.
С помощью клавиш «Shift» и «R» изменить процент на резисторе 2кОм до величины 50%, а полученную осциллограмму так же перечертить в таблицу исследований.
Повторить работу для 100% изменений на резисторе 2кОм.
2 Исследовать влияние ускоряющего конденсатора.
Установить величину "R"=50%, подключить ускоряющий конденсатор.
Задавая значения емкости конденсатора 10%, 20%. 50%. 75%, 100%, зарисовать осциллограммы в таблицу.
3 Исследовать работу электронного ключа с диодом в цепи обратной связи (ненасыщенного ключа).
Включить схему ненасыщенного ключа. Задавая значения резистора 20%. 50%. 100%, зарисовать осциллограммы при включенном и отключенном диоде в цепи обратной связи.
Расчетная часть :
По осциллографу определить Uвключения электронного ключа, время срабатывания и длительность фронта и спада импульса выходного напряжения.
Контрольные вопросы :
1 Какие функции выполняет электронный коммутатор?
2 Какие электронные приборы и устройства могут быть использованы в схемах электронных коммутаторов?
3 Каковы функции этих электронных приборов и устройств?
Виды контроля (Оценка):
Лабраторные работы оцениваются следующим образом:
оценка «5» ставится, если:
- работа выполнена самостоятельно в объеме 100 % и получен верный ответ или иное требуемое представление результата работы;
- нет нарушений в оформлении работы;
- правильно выполнено свыше 95 % работы.
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы
оценка «4» ставится, если:
- работа выполнена самостоятельно в объеме 100 % (допускаются небольшие математические ошибки, не влияющие на конечный результат;
- незначительные нарушения в оформлении практической работы, исправления;
- правильно выполнено свыше 85 % работы;
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы (допускается 1-2 не точности в ответах)
оценка «3» ставится, если:
- работа выполнена в объеме 100 %, но допущены ошибки, приводящие к неверному конечному результату.
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы (допускается 1-2 не точности в ответах)
оценка «2» ставится, если:
- допущены существенные ошибки, показавшие, что студент не владеет обязательными знаниями, умениями, необходимыми для выполнения работы, или значительная часть работы выполнена не самостоятельно;
- грубые нарушения в оформлении практической работы;
- даны ответы не на все вопросы допуска и контрольные вопросы
Лабораторная работа №14
«Исследование работы электронного ключа в схемах аналоговых коммутаторов»
Продолжительность проведения – 2 часа
Дата: 2019-02-25, просмотров: 261.
