«исследование ключевых схем на биполярных транзисторах»

Самоcтоятельная работа
по дисциплине «Схемотехника и электроника 2»
на тему:
«ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ»

Цель работы:

1. Изучить принцип действия, основные характеристики и параметры электронных ключей на БТ.
2. Выполнить инженерный расчет транзисторного ключа на БТ.
Задание:
Нарисовать схему электронного ключа на БТ с ОЭ и построить его передаточную характеристику Uвых = f (Uвх). Напряжение питания U_ИП, сопротивление нагрузки R_Н и R_К сопротивление резистора в цепи коллектора использовать в соответствии с исходными данными. На основании расчета выбрать тип транзистора. Сопротивление резистора в цепи базы принять равным входному сопротивлению БТ RБ = h11э.

Краткие теоретические сведения

Электронными ключами называют электронные схемы, предназначенные для замыкания и размыкания электрических цепей под воздействием внешних управляющих сигналов. В качестве ключевых элементов таких схем могут быть использованы полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и т.д. Независимо от схемных решений и типа используемого ключевого элемента любой электронный ключ характеризуется рядом статических и динамических параметров.
Статические параметры электронных ключей (параметры установившегося режима) наиболее полно характеризуются передаточной характеристикой — зависимостью величины выходного напряжения или тока от величины входного напряжения (тока). Обычно используется передаточная характеристика, определяющая зависимость выходного напряжения ключа от входного .
Динамические параметры электронного ключа определяются скоростью протекания переходных процессов, возникающих в схеме при подаче на вход ключа прямоугольного импульса напряжения или тока. Поэтому динамические параметры ключа называют еще параметрами быстродействия.
Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 1, а. В исходном состоянии при или БТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки. Для уменьшения остаточного тока коллектора до величины обратного тока коллекторного перехода на базу транзистора через резистор подается запирающее напряжение , которое выбирается из условия
, при . (1)
При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения можно исключить (рис. 2, а). Управление транзистором происходит при подаче на вход ключа (рис. 2, а) импульса положительной полярности.



Рис. 1. Схема электронного ключа на БТ с ОЭ: а) принципиальная схема; б) эквивалентная схема



Рис. 2. Схема электронного ключа на кремниевом БТ с ОЭ: а) принципиальная схема; б) эквивалентная схема
Передаточная характеристика ключа рассчитывается графоаналитическим методом с использованием семейств входных при и выходных при характеристик транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис 1, б и 2, б, где


, (2)
. (3)
На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис.3, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением


. (4)

через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами I_К =0, U_КЭ= U_ИПэкв на оси напряжений и точку с координатами I_К = U_ИПэкв/ R_Кэкв , U_КЭ = 0 на оси токов. Находим точки пересечения нагрузочной прямой с кривыми I_К =f(U_КЭ)│ I_{Б= const} , которые определяют токи базы I_Бi и выходные напряжения ключа U_{вых i} = U_КЭi (i =1,K,…N), где N – количество таких точек.

Входная ВАХ БТ I_Б =f(U_БЭ)│ U_{КЭ = const} , соответствующая U_КЭ ≠ 0 (обычно в справочнике приводятся две характеристики для U_КЭ = 0 ; │U_КЭ │= 5 В или │U_КЭ │= 5 В), позволяет найти напряжения U_БЭi , соответствующие выходным напряжениям U_выхi , как показано на рис. 4. В качестве напряжения U_БЭ1, соответствующего I_Б = 0 , используют пороговое напряжение U_{БЭ пор} , которое определяется напряжением точки пересечения прямой, аппроксимирующей входную ВАХ при больших значениях тока базы, с осью абсцисс (рис. 3). Тогда соответствующие входные напряжения вычисляются согласно выражению:

U_{вх i} = U_{БЭ i} + I_Бi ⋅R_Б .

Полученные пары значений U_выхi и U_{вх i} позволяют построить передаточную характеристику ключа, представленную на рис. 5. Высокий выходной уровень U¹_вых соответствует работе БТ в режиме отсечки (точка «1»):

U¹_вых = U_ИПэкв – I_КЭ0 ⋅R_К .
Низкий выходной уровень соответствует работе в режиме насыщения (точка «5»)

U⁰_вых = U_КЭнас .

Рис.5

На передаточной характеристике ключа имеется три области: отсечки, соответствующая малым уровням входного напряжения; активная область, соответствующая переключению БТ из режима отсечки в режим насыщения и наоборот; область насыщения, соответствующая большим уровням входного напряжения. При более точных расчетах передаточной характеристики ключа необходимо учитывать зависимость статического коэффициента передачи по току от величины тока базы β = f (I_Б) .