Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
РОЗРАХУНОК КЛЮЧА НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп’ютеризовані системи
Кафедра:
Комп'ютеризовані системи автоматики
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Елементи дискретних пристроїв автоматики
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
«ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Кафедра «Комп’ютеризовані системи автоматики»
Методичні вказівки
до виконання курсової роботи
РОЗРАХУНОК КЛЮЧА НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ
з дисципліни
«Елементи дискретних пристроїв автоматики та обчислювальної техніки»
для студентів базового напряму 051201 «Системна інженерія»
Затверджено на засіданні кафедри комп'ютеризованих систем автоматики протокол № від . .2012р.
Львів 2012
Методичні вказівки до виконання курсової роботи з навчальної дисципліни „Елементи дискретних пристроїв автоматики та обчислювальної техніки”,для студентів базового напряму 051201 „Системна інженерія” / Укл. О.С. Вітер, Р.В. Проць. – Львів: Видавництво Національного університету „Львівська політехніка”, 2012. 16 с.
Укладачі Вітер О.С., канд. техн. наук, доц.
Проць Р.В., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний
за випуск Наконечний А.Й., д-р техн. наук, проф.
Рецензенти: Мичуда З. Р., д-р. техн. наук, проф. Шклярський В. І., канд. техн. наук, доц.
Зміст
Мета роботи 4
Теоретична частина 4
Стаціонарні стани ключа 5
Перехідні процеси у ключі 6
Процес включення транзисторного ключа 7
Процес виключення транзисторного ключа 8
Порядок виконання роботи 9
Розрахункова частина 9
Моделювання 10
Рекомендована література 13
Додатки 14
5.1 Параметри транзисторів 14
5.2. Варіанти завдань 15
Мета роботи
Метою роботи є ознайомлення з методикою розрахунку і розрахунок стаціонарного і динамічного режимів роботи ключа на біполярному транзисторі і порівняння результатів розрахунків з результатами, отриманими при моделюванні роботи ключа за допомогою прикладних програм Multisim або MicroCap.
Теоретична частина
Ключ служить для комутації (увімкнення або розімкнення) ділянок електричного кола. Його дія полягає у тому, що у ввімкненому стані він має дуже малий, а в розімкненому – дуже великий електричний опір. В електронних пристроях замість механічних ключів найчастіше використовуються електронні ключі, які мають високу швидкодію, можуть комутувати струми від наноампер до сотень ампер при практично необмеженому терміні експлуатації. Без них неможливе існування сучасної обчислювальної техніки.
Рис. 1. Схема транзисторного ключа
Найчастіше в якості ключа використовується біполярний транзистор, який встановлюється послідовно або паралельно до комутованої ділянки електричного кола. Звичайно використовується схема зі спільним емітером з включенням навантаження ключа в коло колектора транзистора. На рис. 1 наведена схема послідовного ключа з використанням транзистора типу n-p-n. Під дією керуючої імпульсної напруги Еі транзистор може бути закритим або відкритим. У закритому стані опір транзистора великий, струм через навантаження ключа, яким є резистор Rн, майже не протікає і спад напруги на резисторі практично дорівнює нулю. У відкритому стані опір транзистора малий, тому до резистора Rн практично прикладена вся напруга джерела живлення Ек.
Стаціонарні стани ключа
Ключовий каскад може знаходитися в одному з двох стаціонарних станів: у включеному (транзистор відкритий, стан насичення) і виключеному (транзистор закритий, стан відсікання).
Стан насичення (транзистор відкритий) виникає при додатній керуючій напрузі Еі при умові, що стум бази транзистора дорівнює
(1)
У цій формулі – коефіцієнт підсилення транзистора за струмом, – максимально можливий струм колектора, який визначається напругою живлення і опором навантаження і називається струмом насичення колектора:
Знайдене з (1) значення струму називається струмом насичення бази. Для гарантованого відкриття транзистора струм бази вибирається більшим від :
,
де > 1– коефіцієнт насичення.
Якщо відома амплітуда імпульсної керуючої напруги Еі, то величина опору базового резистора визначається виразом
де – спад напруги на переході база-еміттер відкритого транзистора. Для кремнієвого транзистора можна прийняти
Стан відсікання (транзистор закритий) виникає при умові, що амплітуда керуючого імпульсу визначається умовою
де – некерований обернений струм колекторного переходу при максимальній робочій температурі.
Для зручності схемної реалізації транзисторного ключа приймають
У стані відсікання для кремнієвих транзисторів струм колектора , тому напруга на колекторі .
Перехідні процеси у ключі
Оскільки транзистор є інерційним елементом, то перехід ключа з одного стаціонарного стану у другий не здійснюється миттєво навіть при миттєвих перепадах керуючої напруги.
Процес переходу ключа із виключеного стану у включений має дві стадії: Затримка включення зумовлена наявністю вхідної ємності транзистора, яка заряджається через резистор , внаслідок чого напруга на еміттерному переході запізнюється відносно вхідної напруги. Тривалість фронту включення залежить від часу розповсюдження носіїв від емітера через базу до колектора, значення колекторної ємності і величини базового струму включення транзистора.
Процес переходу ключа із включеного стану у виключений також має дві стадії: затримку і фронт виключення. Затримка виключення зумовлена часом розсмоктування накопиченого в базі заряду при насиченні транзистора під дією виключаючої напруги . Тривалість фронту виключення залежить від тих же факторів, що і тривалість включення.
Процес включення транзисторного ключа
Затримка включення
Вхідна ємність транзистора дорівнює сумі ємностей колекторного і емітерного переходів
. (3)
Постійна часу вхідного кола
(4)
Будемо вважати, що у початковий момент ємність заряджена до напруги (рис. 2а) і при стрибку вхідної напруги до значення тривалість затримки включення визначається досягненням напруги на ємності значення .
Тривалість фронту включення
Тривалість фронту включення визначається початковою ділянкою експоненти, у відповідності до якої струм колектора змінюється в активному режимі:
Рис. 2. Діаграми напруг
Тут – усталене значення колекторного струму (рис. 2в), який би встановився при відсутності насичення (умовне значення струму колектора).
Еквівалентна постійна часу транзистора в схемі зі спільним емітером
де - постійна часу транзистора в схемі зі спільною базою.
Початкова ділянка колекторного струму лежить в межах від , значення якого близьке до нуля, і струмом насичення
З виразу (6) отримуємо
Загальна тривалість включення транзистора
Слід врахувати, що в навантаження ключа крім резистора входять ємність колектора , ємність електричних з’єднань транзистора з навантаженням (монтажна ємність і ємність самого навантаження (рис. 1). Ці ємності з’єднані паралельно і утворюють еквівалентну ємність навантаження
Еквівалентна ємність навантаження впливає на динамічні характеристики ключа. При включенні паралельно з нею з’єднується опір відкритого транзистора , який в залежності від типу транзистора лежить в діапазоні від долів ома до одиниць Ом. Тому еквівалентна постійна часу навантаження при включенні і нею можна знехтувати. Тому тривалість включення транзистора за струмом і тривалість зміни напруги на колекторі від значення до значення однакові (рис. 2г).
Процес виключення транзисторного ключа
Затримка виключення
В режимі насичення колекторний струм залишається незмінним, але накопичення заряду бази відображається процесом збільшення умовного струму колектора до значення .
Процес виключення починається з моменту зміни керуючої напруги від значення до значення . Затримка виключення зумовлена тим, що накопичений в базі заряд, не може змінитися моментально. Тому, під дією закриваючого значення керуючої напруги , появляється імпульс базового струму
Починається процес виходу транзистора з насичення, який описується експоненційним спадом уявного колекторного струму від значення до значення
Постійну часу транзистора в режимі насичення можна прийняти рівною
Процес виходу транзистора з насичення триває на протязі зменшення уявного струму колектора від до значення . З формули (13) визначаємо тривалість затримки виключення
Тривалість фронту виключення
При виключенні опір закритого транзистора складає сотні кОм, що значно перевищує опір . Тому еквівалентна постійна часу навантаження при виключенні і нею не можна знехтувати. Тому необхідно визначати тривалість включення транзистора за струмом і тривалість виключення транзистора за напругою
Тривалість фронту виключення за струмом визначається з моменту виходу транзистора з насичення до моменту зменшення струму колектора до , тобто практично до нуля
Загальна тривалість виключення транзистора за струмом
Тривалість фронту виключення за напругою можна визначити за наближеною формулою при досягненні напруги на колекторі значення 0,9
Загальна тривалість виключення транзистора за напругою
Порядок виконання роботи
Розрахункова частина
Вибрати варіант у відповідності до списку групи: перша цифра – номер у списку групи, друга цифра – друга цифра шифру групи.
Записати технічне завдання до курсової роботи.
За значеннями заданої напруги і потужності визначити величину струму у навантаженні ключа.
За значеннями напруги і струму вибрати транзистор для ключа з умови
Виписати параметри транзистора:
– коефіцієнт підсилення транзистора за струмом;
- ємність колекторного переходу ;
- ємність емітерного переду;
, - ємність колектора ;
- постійна часу транзистора в схемі зі спільним емітером.
Розрахувати стаціонарний режим транзистора:
опір навантаження ;
струм насичення колектора ;
струм бази ;
величину опору базового резистора ;
Розрахувати процес включення транзисторного ключа:
тривалість затримки включення;
усталене значення колекторного струму ;
тривалість фронту включення ;
загальну тривалість включення транзистора ;
Розрахувати процес виключення транзисторного ключа:
усталене колекторного струму ;
тривалість затримки виключення ;
тривалість фронту виключення за струмом ;
загальну тривалість виключення транзистора за струмом ;
тривалість фронту виключення за напругою ;
загальну тривалість виключення транзистора за напругою ;
Моделювання
Запустити програму Multisim (версії 10.1 або 11).
З правої колонки вивести на робочий стіл функціональний генератор Function generator і двоканальний осцилограф Oscilloscope.
Визначити суму і встановити на функціональному генераторі частоту прямокутної напруги .
Встановити амплітуду керуючої напруги Еі.
Відкрити вікно транзисторів і вивести на стіл вибрану марку транзистора.
Відкрити вікно елементів, з якого встановити на стіл розраховані елементи: базовий резистор , опір навантаження , еквівалентну ємність навантаження
З вікна джерел живлення вивести джерело напруги живлення і заземлення
Зробити необхідні з’єднання елементів схеми ключа (рис. 3).
Почергово відкрити вікна редагування параметрів елементів і встановити їх розраховані значення.
Запустити програму кнопкою 1 або зеленим трикутником на лінійці команд і через декілька секунд зупинити програму кнопкою 0 або чорним чотирикутником. Змінюючи час розгортки і значення шкал напруг отримати оптимальне зображення осцилограм напруг генератора і вихідної напруги ключа.
На рис. 3 вказано призначення шкал генератора імпульсів Function generator і осцилографа. Для зручності розміщення осцилограм бажано натиснути кнопку синхронізації Sing.
Рис. 3. Екран програми Multisim
За допомогою візирних ліній виміряти час включення, тривалість фронту включення, тривалість виходу з насичення і тривалість фронту виключення за напругою (рис. 4 і 5).
Рис. 4. Визначення часу включення і тривалість фронту включення
Рис. 5. Визначення тривалості фронту виключення за напругою
Звести в порівняльну таблицю результати розрахунку і моделювання, визначити їх абсолютну відносну різницю результатів. Зробити висновки з одержаних результатів.
Таблиця порівняння результатів розрахунку і моделювання
Параметр
Розрахунок
Моделювання
Різниця
Різниця %
Тривалість затримки включення, нс
Тривалість фронту включення, нс
Загальна тривалість включення, нс
Тривалість затримки виключення, нс
Тривалість фронту виключення за напругою, нс
Загальна тривалість виключення за напругою, нс
Рекомендована література
Схемотехніка електронних схем: У 3 кн. Кн. 1. Аналогова схемотехніка: Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гурджій, В.Я. Жуйков та ін. – 2-ге вид., допов. і переробл. – К.: Вища шк., 2004. – 423 с.: іл.
Бабич М.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка: Навчальний посібник.- К.:»МК-Прес», 2004.
Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторнный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. − М.: «Солон−Р», 2004.
Короткий опис програми Electronics Workbench до лабораторних робіт з математичним моделюванням для студентів напряму 0907 “Радіотехніка”. / Укл. Проць Р.В., Яковенко І.Г. Львів: НУ”ЛП”, 2003.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд. Том I: Пер. с нем. – М.: ДМКПресс, 2008.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд. Том 2: Пер. с нем. – М.: ДМКПресс, 2008.
Додатки
5.1. Параметри транзисторів
5.2. Варіанти завдань
Варіант
1
2
3
Ек, В
Еі, В
Рн, Вт
Ек, В
Еі, В
Рн, Вт
Ек, В
Еі, В
Рн, Вт
50
4,25
10
38
5,0
6,0
120
5,5
1,15
20
4,5
3
75
4,25
12
35
6,75
2,5
10
4,75
0,5
40
4,5
1,3
30
7,0
7,8
65
5,0
12
80
4,75
17
80
6,75
16
18
6,25
3
40
5,0
0,55
40
5,0
0,8
120
6,0
1,25
38
5,0
4,5
38
4,25
5,5
35
6,75
3,5
75
6,25
8,5
75
7,0
12
30
7,0
9
10
6,0
0,45
40
4,0
1,2
22
4,0
6
65
4,0
9,5
90
7,25
11,5
70
3,75
20
32
3,75
8,2
12
5,5
6,5
80
7,25
17
80
7,25
10
25
6,75
3,5
40
5,5
1,0
38
5,5
7,5
32
7,0
7,25
38
6,75
6,5
50
6,75
11
80
6,75
10,5
75
7,0
15
20
7,0
2,7
50
5,0
8,2
40
4,0
1,7
10
6,75
0,35
20
6,0
3,2
90
3,75
12,5
65
5,0
4,2
10
6,75
0,45
12
4,25
5,5
50
4,25
3,25
65
7,0
10
25
4,5
4,5
20
4,5
4,5
50
7,25
9,25
32
4,75
8
10
4,75
3,5
20
5,5
2,7
80
5,0
11
65
5,0
4,75
10
6,75
0,35
35
6,25
1,2
65
5,0
5,5
65
7,0
9,5
160
6,0
4,5
18
6,25
4,5
18
4,0
2,25
220
6,75
16
120
6,0
4,0
120
3,75
1,15
24
7,0
8,5
35
4,0
6,25
35
4,25
3,35
35
4,0
1,8
70
3,75
6,0
30
4,5
8,25
70
3,75
17
80
7,25
4,2
32
4,75
7,75
80
7,25
15
40
5,5
3,8
80
5,0
10,25
40
5,5
0,7
38
6,75
3,7
35
4,25
1,25
38
6,75
5,5
75
7,0
8,25
160
6,0
3,5
75
7,0
9
38
6,75
4,5
220
6,75
13
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
Розрахунок ключа на біполярному транзисторі: Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни
«Елементи дискретних пристроїв автоматики та обчислювальної техніки»
для студентів
базового напряму 050201 «Системна інженерія»
Укладачі: Вітер О.С., канд. техн. наук, доц.
Проць Р.В., канд. техн. наук, доц.
06.02.2014 01:02-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора