Цель: закрепление теоретических знаний по теме «Ключи на биполярных транзисторах» и приобретение практических навыков расчета параметров электронного ключа в схемах аналоговых коммутаторов, снятие характеристик с осциллографа. 

Задачи: сформировать умение рассчитывать параметры элементов схемы электронного ключа, провести анализ работы схемы электронного коммутатора, 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 теоретические сведения:

Значения элементов и напряжений в схеме транзисторного ключа влияют на длительности соответствующих процессов.

Изменение параметров коллекторной цепи Rк и Ек приводит к изменению тока Iк нас и влияет на длительности всех трех процессов. Например, уменьшение Ек до Е'к ведет к уменьшению Iк нас до I'к нас. При включении ключа амплитуда коллекторного тока будет нарастать до меньшего значения Iк нас в цепи с неизменной постоянной времени; это приведет к уменьшению длительности фронта. При уменьшении Iкнас транзистор выходит на границу насыщения при меньшем токе базы, поэтому все дальнейшее увеличение тока базы вызывает накопление избыточного заряда, что ведет к увеличению времени рассасывания.

Спадать коллекторный ток начнет с меньшего значения, поэтому время среза уменьшится. Уменьшение Iк нас из-за увеличения Rк влияет на изменение времен двояко. С одной стороны, при уменьшении Iк нас уменьшаются длительности фронта и среза и увеличивается время рассасывания. Но, с другой стороны, особенно при использовании дрейфовых транзисторов, увеличивается постоянная времени транзистора в активном режиме вследствие увеличения слагаемого, обусловленного внешним инерционным фактором. Это увеличение приводит к увеличению tc, поэтому изменением Rк можно изменять потребляемую мощность и пропорционально ей изменять быстродействие при условии, что длительность рассасывания сравнительно мала.

Прямой ток включения базы Iб можно увеличить, повысив напряжение Uвх. При этом длительность фронта уменьшается из-за увеличения скорости нарастания тока, а длительность рассасывания увеличивается вследствие накопления избыточного заряда. Длительность среза остается неизменной. При изменении сопротивления R, например уменьшении, происходит пропорциональное увеличение тока базы, процесс включения протекает быстрее. Сокращается и процесс выключения, поскольку ток Iк спадает от Iк нас до нуля с большей скоростью, стремясь к более низкому уровню. Время рассасывания увеличивается.

Рассмотренные примеры показывают, что изменение режимов работы транзистора, работающего по схеме ключа, не позволяет заметно повысить его быстродействие, поскольку при неизменной потребляемой мощности уменьшение длительности одних процессов сопровождается увеличением длительности других. Для повышения быстродействия используют более сложные схемы ключей.

Как следует из рассмотренного выше, быстродействие ключа можно увеличить, переключив его током базы, временная диаграмма которого представляет на рисунке 5,а. В момент t1 для ускорения процесса ключ включается большим током Iб1, затем в момент времени t2 ток уменьшается до значения I'б1, т. е. транзистор выводится на границу режима насыщения для уменьшения длительности рассасывания. В момент t3 транзистор запирается большим базовым током Iб2.

Ключ с форсирующей (ускоряющей) емкостью. Форму тока, близкую к оптимальной, можно получить, зашунтировав резистор R конденсатором (рисунок 5). При появлении входного напряжения в момент t1 транзистор начинает открываться. Базовый ток транзистора в первый момент замыкается через конденсатор, так как последний представляет собой малое сопротивление, близкое к короткому замыканию для скачка тока. Вследствие этого в момент t1 базовый ток имеет большое значение: Iб1 =( Uвх–Uбэ )/Ru, где Ru - внутреннее сопротивление источника сигнала (например, выходное сопротивление предыдущего ключа); обычно Ru >> R.

Рисунок 5- Схема ключа с ускоряющим конденсатором

Этот ток быстро заряжает барьерные емкости и накапливает заряд в базе транзистора. Благодаря большому току уменьшаются длительности задержки и фронта. По мере заряда конденсатора ток базы уменьшается до значения I'б1=Uвх/R , определяемого сопротивлением R, которое выбирается из условия насыщения. Благодаря этому к моменту окончания входного импульса в базе накапливается сравнительно небольшой избыточный заряд.

В момент t3 окончания входного сигнала конденсатор С разряжается через базу транзистора, создавая большой запирающий ток базы Iб2=Uc/Ru.

Этот ток ускоряет процессы рассасывания и выключения транзистора.

Емкость С не должна быть слишком малой, иначе длительность всплесков токов будет меньше, чем длительность процессов переключения, которую они уменьшают. При этом процесс переключения будет протекать в основном при сравнительно малых токах базы, т. е. не будет ускоряться.

Нельзя выбирать ускоряющий конденсатор и слишком большой емкости, поскольку в этом случае: во-первых, ток базы не успеет уменьшиться до уровня Iб2 к концу входного импульса и в базе накопится весьма большой избыточный заряд; во-вторых, конденсатор не будет успевать заряжаться до уровня входного импульса к моменту его окончания, процессы рассасывания и включения будут протекать медленнее.

Ключ с нелинейной обратной связью. Обеспечить большой базовый ток включения и одновременно уменьшить время рассасывания можно, используя схему ключа с отрицательной обратной связью, в которой не допускается насыщенный режим работы транзистора. Особенно важно это при использовании высокочастотных дрейфовых транзисторов, отличающихся тем, что у них время жизни неосновных носителей в режиме насыщения значительно больше, чем в активном режиме. Схема ненасыщенного ключа приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема ненасыщенного ключа

Нелинейная отрицательная обратная связь осуществляется через диод VD. Состояние диода определяется полярностью и величиной напряжения, действующим между анодом и катодом диода. В исходном состоянии диод закрыт за счет высокого положительного потенциала на катоде. Отрицательная обратная связь не действует. При подаче большого входного сигнала Uвх = U1, входной ток вначале течет через R1 и R2 в базу транзистора, обеспечивая большой ток включения Iб1. В процессе отпирания транзистора напряжение на коллекторе уменьшается от Ек, стремясь к 0, и в тот момент, когда напряжение между базой и коллектором, уменьшаясь достигнет значения, равного падению напряжения от входного тока на R2, диод VD открывается и часть входного тока будет протекать через диод и коллектор на землю в обход базы. В результате ток базы уменьшается до значения I'б1<=I'б нас, и транзистор не входит в насыщение. Сопротивление R2 выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем за счет тока базы было больше падения напряжения на открытом диоде. В этом случае напряжение между коллектором и базой остается положительным, хотя и небольшой величины, и вхождение транзистора в насыщение предотвращается.

При изготовлении ключа методами микроэлектроники в цепи обратной связи иногда используются диоды Шотки, выполненные в едином технологическом процессе с интегральным транзистором также с барьером Шотки. Диод Шотки представляет собой переход металл-полупроводник.

Для работы ключа с нелинейной обратной связью необходимо, чтобы диод, включенный параллельно коллекторному переходу транзистора, открывался при сравнительно малом напряжении, когда коллекторный переход еще закрыт. Это и обеспечивает диод с барьером Шотки.

В подобных ключах можно получить очень малые времена выключения, поскольку транзисторы с барьером Шотки имеют, как правило, более высокие значения коэффициента усиления и более низкие значения неуправляемых токов.

Вопросы допуска:

1 Для каких целей используются электронные коммутаторы?

2 Сигналы, какой формы могут быть использованы для управления коммутатором?

3 В какой зависимости находится количество входов и выходов коммутатора.

Задание

- исследовать работу схемы электронного коммутатора при различных входных условиях;

- зафиксировать значения выходного напряжения на выходах коммутатора;

- провести анализ работы схемы электронного коммутатора.

Содержание отчета

1 Название и цель работы

2 Принципиальная схема.

Рисунок 1 - Схема электронного коммутатора на выпрямительных диодах

3 Таблица измерений

Порядок выполнения работы

Активизировать программу Multisim.

С помощью клавиши «Space» установить ключ в верхнее положение и включить режим моделирования.

Зафиксировать показания первого и второго вольтметра в таблице измерений.

С помощью клавиши «Space» установить ключ в нижнее положение и включить режим моделирования.

Зафиксировать показания первого и второго вольтметра в таблице измерений.

Сравнить показания вольтметров при различном положении ключа и проанализировать величины выходных напряжений на выходе электронного коммутатора.

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?

4. В соответствии с чем осуществляется коммутация входа и выхода?

5. Чем отличается верхний и нижний коммутаторы?

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