Расчет транзисторного ключа для олимпиадного стенда

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ (РАБОТЕ)
по дисциплине Электроника и микропроцессорная техника
...

ВВЕДЕНИЕ. 4
1 ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5
1.1 ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ 5
1.2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА 9
2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18
Список используемых источников 19
ПРИЛОЖЕНИЕ А 20
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 21
ПРИЛОЖЕНИЕ В 22

Важнейшими элементами современных схем автоматики и электрон-ных вычислительных машин являются устройства релейного типа. Главная особенность их состоит в том, что под воздействием входного сигнала ре-жим работы таких устройств резко (скачкообразно). Одним из таких устройств является транзисторный ключ - коммутирующее устройство, действие которого основывается на том, что во включенном состоянии оно обладает очень малым, а в выключенном — весьма большим сопротивле-нием.
В импульсных и цифровых устройствах часто возникает необходи-мость коммутации электрических цепей. Такая коммутация должна проис-ходить под управлением электрического сигнала, который должен управ-лять либо размыканием, либо замыканием цепи. Такие функции реализу-ются с помощью биполярных и полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме. Эти транзисторы выполняют роль электрических клю-чей, которые могут находиться в двух состояниях.

Обычно на практике степень насыщения транзистора ограничивают пределами: от 1,5 до 3.Рис. 1.3. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистораПри управляющих напряжениях, для которых uб меньше напряжения отсечки uбо, коллекторный ток очень мал, практически отсутствует. В этом случае транзистор можно считать запертым (состояние ключа выключено). Для кремниевых транзисторов напряжение отсечки uбо ≈ 0,6 В.В импульсных и цифровых устройствах транзистор обычно используется в ключевых режимах. Большую часть времени он выполняет функцию ключа: находится в состояниях включено и выключено. Промежуточные состояния относятся к активной области передаточной характеристики (см. рис. 2.2). При смене состояний ключевого режима (при переключениях) транзистор кратковременно оказывается в режиме усиления. Крутизна участка активной области передаточной характеристики тем выше, чем больше коэффициент усиления каскада с ОЭ, который на этом участке «превращается» в линейный усилитель.Ключевой каскад содержит источник напряжения питания, нагрузочный (в простейшем случае резистор R) и ключевой элементы. При одном состоянии ключевого элемента ток в цепи нагрузки минимален, при другом принимает максимальное для данной цепи значение. Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа. Ключевой элемент данной схемы (ключ К) замыкается и размыкается под действием внешней силы Р. Если считать, что ключ К, идеален, т. е. его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом бесконечно велико, то ток в цепи и напряжение на нагрузке R принимают следующие значения:U1н= 0, I1н = 0 при разомкнутом ключе; U2н = E, I2н= Е/R при замкнутом ключе.Соответственно напряжение u(t), действующее на выходе цепи относительно корпуса устройства, принимает значения:U1 = Е - U1Н = Е при разомкнутом ключе; U2 = E - U2н = 0 при замкнутом ключе.Амплитуда изменения напряжения на нагрузке или на ключе равна разности абсцисс точек 1 и 2 : Um = U1 - U2. Поскольку в данном случае U2 = 0, U1 = Е, то Um = Е. Коэффициент использования напряжения питания для идеального ключа Ки = Um/E = 1.МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧАВ простейшем транзисторном ключе входной управляющий сигнал UBX(t), задающий базовый ток транзистора, выполняет ту же функцию, что и сила Р, а сам транзистор Т выполняет функцию ключевого элемента К. При положительной полярности входного сигнала транзистор заперт, в его выходной цепи течет только малый ток Iк0. При отрицательной полярности входного сигнала в базовой цепи транзистора создается ток, достаточный для его насыщения. Используя выходные в.а.х. запертого и насыщенного транзистора, с помощью построений определяем положение точек 1 и 2. Как и прежде, точка 1 соответствует выключенному состоянию ключа (в данном случае транзистора Т), точка 2 — включенному состоянию ключа, т. е. насыщенному транзистору. Напряжение U1 близко к напряжению питания Е. Напряжение U2 численно равно напряжению UKH на коллекторе насыщенного транзистора. Поскольку значение Uкн мало, то амплитуда изменения напряжения на нагрузке при переключении близка к Е, т. е. коэффициент Ки близок к единице. В этом смысле ключ на биполярном транзисторе близок к идеальному. Далее значения U1, U2, Um и Ки будут вычислены более точно.Данный простейший ключ должен управляться знакопеременным напряжением на входе uBX(t). Будем считать, что напряжение имеет меандровую форму, причем длительность как положительной, так и отрицательной полуволны напряжения достаточно велика, так что переходные процессы в схеме составляют малую часть полупериода.Простейший ключ на биполярном транзисторе показан на рис. 1.6. Резистор Rб в цепи базы служит для задания необходимого тока базы. Резистор Rк является внутренней нагрузкой ключа, а резистор Rн – его внешней нагрузкой. Величина внешней нагрузки может меняться в широких пределах. При Rк  ключ работает в режиме холостого хода. Предельной нагрузкой, при которой ключ еще должен сохранять свои параметры, считают величину Rк  Rн .1483360194310б 3949700-88265Рис. 1.6 - Простейший транзисторный ключРассмотрим статический (по постоянному току) и динамический режимы работы ключа.Статический режим. В статическом режиме ключ может быть закрыт (транзистор находится в режиме отсечки) либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньшенапряжения логического нуля Uвх0 . Для ключей на кремниевых биполярныхтранзисторахоно составляет0.4–0.5В. В этом режиме Iк  Iб  0 ,Uкэ  Eк  Rк Iк Eк . Сопротивление закрытого ключа составляет сотни кОм.Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобытранзистор находился в режиме насыщения, то ток базыIб UUбэ Uвх RRвх .ббВ режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и ток коллектора возрастает до наибольшего значения:Iк  Iк нас  Eк  Uкэ  Eк .RкRкНапряжение U кэ в режиме насыщения составляет 0.2–0.3 В, а выходное сопротивление – несколько десятков Ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора:Iк насEIб к.RкГлубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом (степенью) насыщения, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение, при котором имеет место режим насыщения:Q Iб.Iб насВеличину коэффициента насыщения выбирают от 1.5 до 3.Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы Uвх1 . Для ключей на биполярных транзисторах Uвх1 1.5В .Передаточная характеристика ключа на БТ показана на рис. 3.2. Рабочими являются участки переходной характеристики, соответствующие отсечке и насыщению.U1426210-120650О1593850-1790701805940107315АН 154559088900EU2282190-175260Рис. 3.2 - Передаточная характеристикаДинамический режим работы ключа. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе определяются следующими причинами.Наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При переключениях происходит заряд и разряд этих емкостей. Накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе при переходе транзистора в режимы насыщения и отсечки. Рассмотрим упрощенно процессы в транзисторе при действии на входе прямоугольного импульса (рис. 3.3). На интервале времени 0 -t1 ключ закрыт.