‘Електронні ключі. Розрахунок основних параметрів ключів на біполярних Мета роботи: Вивчення принципу роботи, статичних та динамічних характеристик, способів підвищення швидкодії та методики розрахунку ключів на біполярних транзисторах. Теоретичні основи: Ключі на біполярних транзисторах складають основу більшості імпульсних і цифрових схем, з їх допомогою реалізуються схеми транзистор-транзисторної логіки ТТЛ. Найбільше поширення отримав ключ із загальним емітером (рис. 1), в якому активне навантаження RК увімкнено в коло колектора. Стаціонарні стани ключа. Ключовий каскад може знаходитися в двох стаціонарних станах: Стан відсічки (ключ розімкнутий). В цьому режимі емітерний і колекторний переходи зміщені в зворотньому напрямку (закриті). При цьому через транзистор протікає мінімальний струм. Цей стан відповідає точці А на характеристиці рис. 2 і виникає при додатній керуюючій напрузі на базі, якщо вона забезпечує закривання емітерного переходу (UБЕ ( 0). В цьому стані через базу протікає зворотній струм колектора (ІК0 – тепловий струм). Тоді умова стану відсіку має вигляд: UБЕ = UКЕР – ІК0 max(RБ ( 0; (1) де UКЕР = ЕБ; ІБ = - ІК0 або ЕБ ( ІК0 max (RБ (2) В цьому режимі справедливі наступні вирази: ІК = ІК0 ( 0; ІБ = - ІК0; UКЕ = ЕК - ІК0(RК ( ЕК Стан насичення (ключ замкнений) виникає при від’ємній керуючій напрузі UКЕР, якщо створюваний нею базовий струм ІБ задовільняє умову: ІБ ( ( ( ІКН, Де ( - коефіцієнт підсилення базового струму; ІКН – струм насичення колектора. При насиченні транзистора: ІК = ІКН ( ЕК / RК; UКЕН = ЕК – ІКН ( RК = 0 Перехідний стан ключа. Перехідний режим ключа виникає при увімкненні і вимкненні ключа і визначає його швидкодію. Процес увімкнення транзисторного ключа умовно можна розділити на три етапи: затримка фронту увімкнення tз.ув., формування фронту увімкнення tф.ув і накопичення надлишкового заряду в базі транзистора. Затримка tз.ув. обумовлена наявністю вхідної ємності Свх транзистора, яка заряджається через резистор RБ, завдяки чому напруга на емітерному переході запізнюється відносно вхідної напруги UКЕР (рис. 3). Тривалість фронту увімкнення tф.ув залежить від часу прольоту носіїв від емітера через базу до колектора, значення колекторної ємності Ск і зменшується зі збільшенням базового струму увімкнення транзистора (рис. 4). Процес вимкнення ключа має стадію затримки і фронт вимкнення. Затримка вимкнення пов’язана з тим, що під дією вимикаючого сигналу (+UКЕР) проходить розсмоктування надлишкового заряду бази (неосновних носіїв), що створився при насиченні транзистора. Тривалість розсмоктування збільшується при збільшенні степені насичення транзистора і зменшується при збільшенні базового струму вимкнення. Тривалість фронту вимкнення tф.вим. залежить від тих же факторів, що і тривалість фронту увімкнення і зменшується при збільшенні базового струму вимкнення. Розрахунок параметрів перехідного стану ключа: Затримка увімкнення обумовлена наявністю вхідної ємності Свх транзистора. В початковому стані ця ємність заряджена до напруги +Uм, а з моменту появи від’ємного вхідного імпульсу починає перезаряджатися і напруга на ній прямує до значення -Uм (рис. 3): UСвх = 2 Uм (1 – е-t/(вх) – Uм (3) Де (вх = RБ ( Свх – постійна часу вхідного кола транзистора. Будемо вважати, що емітерний перехід зміститься в прямому напрямі, коли напруга на ємності досягне деякого порогового рівня UСвх = Uпор < 0 (для кремнієвих транзисторів Uпор = 0.4 В). Це наступить через час tз.ув після того, як на вхід ключа почне діяти від’ємний імпульс: UСвх = Uпор при t = tз.вкл. Підставляючи ці значення в (3) після прстих перетворень отримаємо: tз.ув = 2.3 (вх lg (2 Uм / (Uм - Uпор)) Якщо Uпор = 0 (так можна вважати для германієвих транзисторів), то tз.ув = 0.7 (вх Фронт увімкнення транзистора представляє собою початковий участок експоненти, у відповідності з яким колекторний струм в підсилювальному (активному) режимі описується так: iK = ( IБ1 (1 – e-t/(eк) (4) де ( - коефіцієнт підсилення базового струму в схемі з ЗЕ; IБ1 = ЕБ/RБ – імпульс базового струму увімкнення; ( IБ1 – струм колектора, який був би при відсутності насичення; (ЕК = (( + RКCК (( + 1); (( - постійна часу транзистора в схемі зі ЗЕ при RК = 0; CК – ємність колекторного переходу. До границі насичення колекторний струм збільшується від іК = ІК0 ( 0 до значення іК = ІКН, яке досягається за час tф.ув. з моменту відкривання емітерного переходу. Підставляючи tф.ув. і ІКН у (4) після перетворень отримаємо тривалість фронту увімкнення транзистора tф.ув. = 2,3 (ЕК lg (1 / [1 - ІКН / (( IБ1)]) Відношення ( IБ1 / ІКН = IБ1 / IБН = S називають коефіцієнтом насичення. Тоді тривалість фронту увімкнення запишемо у наступному вигляді: tф.ув. = 2,3 lg S / (S – 1) Загальна тривалість увімкнення транзистора: tув. = tз.ув + tф.ув З моменту появлення на вході ключа додатного імпульсу починається процес вимкнення (закривання) транзистора. Затримка вимкнення обумовлена тим, що заряд, що накопичився в базі, не може миттєво змінитися. Під дією закриваючого імпульсу базового струму IБ2 = Uвх / RБ проходить розсмоктування цього заряду. Вихід транзистора із насичення описують експотенціальним спадом уявного колекторного струму, що прямує від IБ1 до IБ2: ІК = ( (IБ1 + IБ2) е – t / (н - ( IБ2 де постійна часу в режимі насичення (н = (0,7 ( 1,5) (ЕК можна приблизно вважати рівною (ЕК. Тривалість виходу із насичення tз.вим – час tp розсмоктування заряду – інтервал, на протязі якого уявний струм знижується до ІКН. Підставляючи tз.вим і ІКН в попередній вираз, після простих перетворень отримаємо час затримки вимкнення транзистора: tз.вим = 2,3 (ЕК lg [(ІКН + ( IБ2) / (( IБ2)] Висновки: Із збільшенням базового струму увімкнення (ІБ1) зменшується час увімкнення, але за рахунок збільшення кокфіцієнта насичення збільшується час вимкнення (за рахунок затримки tз.вим). 3. Завдання: 1.Розрахувати транзисторний ключ з прискорюючим конденсатором 2.Схема транзисторного ключа приведена на рисунку 5 а. 3.Вихідні дані для розрахунку ключа приведені в таблиці 1 Таблиця 1. № Вар
[В] [ мкс ] [ В ] [ мкс ] Rг [Ом]
1 8 1 3 30 510
2 8 1 2.5 25 510
3 8 0.8 2 2.5 470
4 8 1 3 20 470
5 10 0.8 2.5 30 510
6 10 1 3 20 510
7 10 0.6 2 40 470
8 10 0.8 2.5 20 510
9 10 1 2.5 15 470
10 10 0.8 2 20 330
11 5 0.6 2.5 25 330
12 5 1 2.5 40 330
13 5 0.8 2.5 20 470
14 5 1 2 30 510
15 9 1 2.5 25 510
16 9 0.8 3 30 510
17 9 0.6 2.5 40 470
18 9 0.5 3 20 510
19 10 1 2.5 30 470
20 10 0.8 3 40 510
21 10 0.6 2.8 25 330
22 10 0.5 3 40 470
23 6.8 1 2.5 20 510
24 6.8 1 2 25 510
25 6.8 0.8 3 30 470
26 6.8 0.6 2.5 35 470
27 7.2 1 2.5 30 510
28 7.2 0.8 3 40 510
4. Зміст розрахункової роботи: тема роботи; мета роботи; завдання; схема транзисторного ключа; висновки; література. 5. Порядок розрахунку транзисторного ключа Вихідні дані: Umвих – амплітуда вихідних імпульсів tвкл=tвикл – час увімкнення і вимкнення Um=Umвх(+)=Umвх(-)- амплітуда керуючих імпульсів ti(+)=ti(-)- тривалість керуючих імпульсів Rг Ом – внутрішній опір генератора Розрахунок 1. Визначаємо напругу живлення колекторного кола:
Приймаємо 2. Вибираємо в базовому колі: Еб = 2В 3. Вибираємо транзистор із наступних умов: а) Максимально-допустима напруга на колекторі: Uкедоп?Ек б) Максимально-допустима напруга між колектором і базою: Uкб доп?Umвх-(-Ек)=Umвх(+)+Ек в) Гранична частота: ; Вибираємо із таблиці 1,6 транзистор n-p-n КТ3102В з наступними параметрами: ; ; =200; ; ; =6пф; =2,5пф. 4. Визначаємо опір резистора Rк: Вибираємо із таблиці 1,2 та 1,3 резистор С2-33 – 0.125 – 130Ом5% 5. Вибираємо опір резистора Rб Вибираємо із таблиці 1,2 та 1,3 резистор С2-33 – 0.125 – 39МОм5% 6. Вибираємо опір резистора R таким чином, щоби забезречити неглубоке насичення транзистора. S?2 () В режимі насичення маємо: .
Вибираємо із таблиці 1,2 та 1,3 резистор С2-33 – 0.125 – 51Ом5% Iб-cтрум бази в режимі насичення Iбн-струм бази на границі насичення. Iб> Iбн. 7. Ємність конденсатора С вибираємо із таких міркувань, щоби час його заряду перевищував час увімкнення (розімкнення) транзистора. ; ?? ????? . З другого боку, напруга на конденсаторі повинна встигати встановлюватися, поки транзистор закритий. ;
Вибираємо із таблиці 1.6 конденсатор К10-17-50В-0,001мкф 8.Визначаємо амплітуду відкриваючого стрибка струму в базі:
Де - напруга, яка встановлюється на конденсаторі С (на резисторі R) коли транзистор закритий. =. 9. Визначимо амплітуду закриваючого струму в базі . Де - напруга на конденсаторі (резисторі R), коли транзистор відкритий. . 10.Визначаємо час затримки, коли транзистор виходить із насичення:
де . 11.Визначаємо тривалість фронту закривання. . 12.Час підготовки (затримки) відкривання транзистора, визначається розрядом ємності з напруги , якою був закритий транзистор до напруги відкривання =0. ; 13.Визначаємо тривалість фронту відкривання транзистора в активному режимі :
Література: Транзисторы: Справочник/ под. ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. –656 с. Ю. А. Браммер, И.Н. Пащук. Импульсная техника. – М.: Висшая школа, 1985. Степаненко И. П. Основы микроелектроники. – М.: Сов. радио, 1980. Справочник по интегральныим микросхемам (ред. Б. В. Тарабрин). – М.: Энергия, 1981, 1983. Резистори Для резисторів установлено шість рядів номінальних опорів: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Число, що стоїть після символу Е, визначає кількість номінальних величин у ряду. Кожний ряд задається числовими коефіцієнтами, помноженими на , де n – ціле додатне або від’ємне число. Найбільш поширеними є ряди Е6,Е12,Е24, що подані в таблиці 1.3 Таблиця1.2 – Ряди номінальних значень Тип резистора Діапазон опорів Номінальна потужність, Вт
1 Ом-3,01 МОм 0,125
МЛТ 1 Ом-5,1 МОм 0,25; 0,5
1 Ом -10 МОм 1; 2
1 Ом - 3 МОм 0,125
1 Ом-5,1 МОм 0,25
С2-33 0,1 Ом-5,1 МОм 0.5
1 Ом - 10 МОм 1
1 Ом - 22 МОм 9
Таблиця1.3 – Постійні резистори Індекс ряду Позиції ряду Допустиме відхилення від номінальної величини, %
Таблиця1.4 – Множники для утворення десяткових часткових та кратних одиниць Множник 10m Приставка Параметр елемента
Опір Ємність
Назва Позначення Назва Позначення
гіга гігаом ГОм
мега мегаом МОм
кіло кілоом КОм
1
ом Ом фарада Ф
мілі міліом мОм
мікро
мікрофарада мкФ
нано
нанофарада нФ
піко
пікофарада пФ
Конденсатори Для конденсаторів установлено три ряди номінальних ємностей Е6,Е12,Е24(таблиця1.5). Конденсатори виготовляють із номінальними ємностями, що відповідають одному з числових коефіцієнтів, який треба помножити на, де для рядів: Е6 n=0,1,2,3,4 E12 n=0,2,3,4 E24 n=2,3,4 Таблиця1.5 Ряд Числові коефіцієнти
