Изучение принципа действия ключа на биполярном транзисторе и его характеристик

Страницы работы

Содержание работы

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 Rк  и источником питающего напряжения Еu. Коллекторное напряжение Uкэ и коллекторный ток Iк 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 Uкэ нас = 0,2 – 0,4 В, поэтому можно считать Uк-э нас << Eu, тогда .

            Коммутируемая цепь разомкнута, когда транзистор находится в режиме отсечки (точка 2, рис. 1.2). В этом случае Iк = Iк0,  а напряжение коллектора при Iвых = 0  . Учитывая, что Iк0R << Eu, можно считать Uк-э  Eu..

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

 


Рисунок 1.3 - Входная характеристика биполярного транзистора

            Если Uб < Uб0 (напряжение на базе меньше напряжения отсечки), ток базы отрицательный и равен обратному току коллектора т. е. Iб0 = Iк0.

            Если Uб0 < Uб-э < Uб нас, то ток базы описывается экспоненциальной зависимостью от напряжения Uб-э, но аппроксимируется  линейной зависимостью. 

            Если Uб-э  > Uб 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

Uкбо(и)=80В
Uкэо(и)= 80 В

Iкmax(и)= 2000 мА

Pкmax(т)=5 Вт

h21э=15-50

Iкбо=10000 мкА

fгр.= 10 МГц

Uкэн<2 В

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

1часть

 


           Eк = 15 В;

           Rк = 10 кОм;

                                                                                              R1 = 3 кОм;

                                                                                              Rб = 50 кОм

.                                                                                             Rн = 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 Iвх  = f (Uвх)

Рисунок 2.3- Зависимость Uвых = f(Uвх)

Рисунок 2.4- Зависимость Iвых = f(Uвых)

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). tф − длительность фронта (время включения); tс − длительность среза (время выключения); tрас − 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 Iвх  = f (Uвх)

Рисунок 3.3 - Зависимость Uвых = f(Uвх)

Рисунок 3.4 – Зависимость Iвых = f(Uвых)

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

Похожие материалы

Информация о работе

Тип:
Отчеты по лабораторным работам
Размер файла:
499 Kb
Скачали:
0