Изучение принципа действия ключа на биполярном транзисторе и его характеристик

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

по дисциплине: Схемотехника ЭВМ

Студенты гр. 20-Р

________           Абольская Н. А.

                                                                      (подпись)           ______________

                                                                                              (дата)        

________              Берилло Ю.М.

                                                                      (подпись)           ______________

                                                                                                                                                              (дата)       

________            Уфимцева А.И.

                                                                      (подпись)           ______________

                                                                                                                                                                     (дата)

                                                                                     Руководитель

                                                                                                 Чижма С. Н.           

                                                                                                                                    (подпись)             

                                                                                              (дата)

Омск 2012

                                                  Содержание

Цель работы………………………………………………………………………….………....2

1) Теоретическая часть…………………..…………….………..…………………..….….…..2

2) Практическое моделирование…………...….…………...….……………………………...4

3) Компьютерное моделирование…………...…………………..….…………………...…....8

Вывод…………….……………………………………………………………………...….....12

Цель работы: изучение  принципа  действия  ключа  на  БТ и  его  характеристик.

1)  Теоретическая часть

В импульсном режиме, характерном для цифровых устройств, транзистор работает в зоне большого сигнала. В режиме большого сигнала транзистор переходит из зоны отсечки через активную область в режим насыщения и наоборот. Как правило, в импульсной технике транзистор работает в двух противоположных состояниях: в режиме отсечки (заперт) и насыщения (открыт и насыщен). В этих режимах транзистор не обладает усилительными свойствами.

В качестве электронных ключей в настоящее время используются биполярные и полевые транзисторы. Большее предпочтение отдается последним, что связано с возможностью уменьшения рассеиваемой мощности. Биполярные транзисторы позволяют реализовать большее быстродействие схем коммутации. Распространены электронные ключи, в выходных цепях которых используются источники постоянного напряжения (источники питания). При их использовании на выходе устанавливается напряжение близкое к нулю при открытом состоянии ключа, а при закрытом ключе – близкое к напряжению питания (такие ключи называются цифровыми ключами).

В импульсных  и  цифровых  устройствах  находят  применение  три  схемы  включения  транзистора: ОЭ (общий  эмиттер), ОБ (общая  база), ОК (общий  коллектор). Однако  наибольшее  распространение  получили  схемы  с  общим  эмиттером. Эти  схемы  имеют  коэффициент  усиления  по  току  и  напряжению  больше  единицы. Схема  ключевого  устройства  на  БТ и семейство его выходных характеристик  приведены   на  рис.1.1 и рис. 1.2.

 

 Рисунок 1.1 - Схема ключевого устройства       Рисунок 1.2 - Выходные характеристики            

  на биполярном транзисторе                                               биполярного транзистора

Схема состоит из коммутируемой и управляемой цепей. Коммутируемая цепь образована резистором R_к  и источником питающего напряжения Е_u. Коллекторное напряжение U_кэ и коллекторный ток I_к связаны соотношением:

Приведенное уравнение представлено на выходных характеристиках БТ в виде нагрузочной прямой 1 – 2. Коммутируемая цепь замкнута, когда транзистор находиться в режиме насыщении (точка 1). Для кремниевых транзисторов U_{кэ нас} = 0,2 – 0,4 В, поэтому можно считать U_{к-э нас} << Eu, тогда .

            Коммутируемая цепь разомкнута, когда транзистор находится в режиме отсечки (точка 2, рис. 1.2). В этом случае I_к = I_к0,  а напряжение коллектора при I_вых = 0  . Учитывая, что I_к0R << E_u, можно считать U_к-э  E_u..

Управляющая цепь ключа образована резистором R_б и источником входного напряжения U_вх. Эмиттерный вывод транзистора является общим для управляющей и коммутируемой цепей. В стационарном режиме U_вх  и I_б удовлетворяет условию U_б-э = U_вх – I_бR_б. Это управление представлено прямой линией на графике входной характеристики биполярного транзистора (рис. 1.3).

 

Рисунок 1.3 - Входная характеристика биполярного транзистора

            Если U_б < U_б0 (напряжение на базе меньше напряжения отсечки), ток базы отрицательный и равен обратному току коллектора т. е. I_б0 = I_к0.

            Если U_б0 < U_б-э < U_{б нас}, то ток базы описывается экспоненциальной зависимостью от напряжения U_б-э, но аппроксимируется  линейной зависимостью. 

            Если U_б-э  > U_{б нас}, коэффициент усиления транзистора стремится к нулю и ток базы резко возрастает (см. рис. 3).

            Рассмотрение  переходных  процессов  в  ключевом  устройстве  на  БТ удобно разбить  на  несколько  этапов (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Переходные характеристики ключевого устройства на БТ

2)  Практическое моделирование

В лабораторной работе воспользовались транзистором КТ801А.

Тип n-p-n

U_кбо(и)=80В
U_кэо(и)= 80 В

I_кmax(и)= 2000 мА

P_кmax(т)=5 Вт

h_21э=15-50

I_кбо=10000 мкА

f_гр.= 10 МГц

U_кэн<2 В

Собрав схему как на рис. 2.1, сняли данные для построения статических характеристик транзисторного ключа.

1часть

 

           E_к = 15 В;

           R_к = 10 кОм;

                                                                                              R₁ = 3 кОм;

                                                                                              R_б = 50 кОм

.                                                                                             R_н = 3 кОм

Рисунок 2.1 – Схема ключа

Таблица  4.1

Статический режим биполярного транзисторного ключа

Uб, В	-1	-0.5	0	1	3.5	5.5	8	10.5	11.7	12.5
Iб, мА	0	0	0	0.01	0.06	0.09	0.14	0.19	0.21	0.23
Uк, В	10	10	10	9	7.5	6	4	2	1	0
Iк, мА	1.79	1.79	1.79	1.74	1.41	1.11	0.71	0.33	0.14	0.04

Рисунок 2.2- Зависимость I_вх  = f (U_вх)

Рисунок 2.3- Зависимость U_вых = f(U_вх)

Рисунок 2.4- Зависимость I_вых = f(U_вых)

2 часть

Исследование динамического режима работы ключа.

На вход подавались прямоугольные импульсы амплитудой 5 В. К входным и выходным цепям были подключены каналы осциллографа. В результате измерений получили следующие данные (см. таблица 2.2). t_ф − длительность фронта (время включения); t_с − длительность среза (время выключения); t_рас − длительность рассасывания заряда базы.

      Измерения были выполнены на частотах 1, 10, 100 кГц.

Таблица  4.2

Динамический режим биполярного транзисторного ключа

f, кГц/вел.	tи вх, с	tи вsх, с	, с	, с	, с	, с	, с
1
10
100				-

Рисунок 2.6 – входной и выходной сигнал при подключении в цепь ускоряющей емкости

Рисунок 2.8 – входные и выходные сигналы собранной схемы с добавлением ускоряющей емкости и ООС

3)  Компьютерное моделирование

Повторяем тот же порядок действий, что и во втором пункте данного отчета

Рисунок 3.1 – Схема установки

Таблица  3.1

Статический режим биполярного транзисторного ключа

Uб, В	−1	−0,5	0,00	0,50	0,80	1,00	2,00
Iб, мкА	0,00	0,00	0,00	0,31	3,55	6,99	25,00
Uк, В	8,99	8,99	8,99	8,97	6,28	3,96	0,13
Iк, мА	0,60	0,60	0,60	0,60	0,42	0,26	0,00

 

Рисунок 3.2- Зависимость I_вх  = f (U_вх)

Рисунок 3.3 - Зависимость U_вых = f(U_вх)

Рисунок 3.4 – Зависимость I_вых = f(U_вых)

Исследование динамического режима работы ключа:

Рисунок 3.5 – Исследование динамического режима работы ключа

f=1 кГц	С = 0	С = 1×10-9 Ф	Диод вкл.
t вх	500 мксек	71 мксек
t вых	500 мксек	90 мксек
tф.вх	500 нсек	100 нсек
tс.вх	3,7 мксек	300 нсек
tф.вых	1 мксек	200 нсек
tс.вых	800 нсек	50 нсек

Рисунок 3.6 – Осциллограмма при С=0 Ф

Рисунок 3.7 – Осциллограмма при С = 1×10^-9 Ф

Рисунок 3.7 – Осциллограмма при С = 1×10^-9 Ф и с ООС