Задача 1. Расчёт электронного ключа на биполярном транзисторе.
Разработать схему электронного ключа на биполярном транзисторе. Исходные данные к задаче (напряжение питания UП, сопротивление нагрузкиRН, входные (управляющие) напряженияUУ, соответствующие включенному и отключенному состоянию нагрузки) приведены в таблице 2.1(RНиз таблицы – группа №1; 0,8∙RН– группа №2;1,2∙RН– группа №3; 1,4∙RН– группа №4). Необходимо графоаналитически определить сопротивление управления в цепи базы RУ, описать принцип работы схемы, осуществить моделирование её работы в среде Multisim, определить длительность фронта tф и среза импульса tС выходного напряжения.
Таблица 2.1 – Исходные данные к задаче 1
Номер варианта | UП, В | RH, Ом | Uу, В |
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 | |||
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 | |||
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 | |||
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 | |||
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 | |||
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
-2,5; +2,5 | |||
-2; +2 |
Окончание таблицы 2.1
-2; +5 | |||
-5; +5 | |||
+0,4; +5 | |||
+0,4; +5 |
Пример решения задачи 1. Вариант 31
Схема электронного ключа приведена на рисунке 2.1. Принцип ее работы описан в [3].
а) б)
Рисунок 2.1 – Схема электронного ключа (а) и выходные характеристики биполярного транзистора (б)
Максимальный ток нагрузки в режиме короткого замыкания транзистора VT1 составляет:
А.
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером не превысит напряжение питания
В.
Выбираем транзистор 2N3879 (аналог КТ908А) со следующими параметрами (приложение Г):
– максимальный ток коллектора Ikmax = 7А;
– максимальное напряжение коллектора-эмиттера UКЭ max = 75В;
– статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером ;
– постоянное напряжение между выводами эмиттера и базы при заданном обратном токе коллектора, равным нулю, В;
– постоянный обратный ток коллектора IК0 = 1,5 мА;
– сопротивление цепи базы rб = 1,5 Ом.
На выходных характеристиках транзистора (рисунок 2.1, б) проведём нагрузочную прямую. Она пройдёт через точки UКЭ = UП=16 В и Iкз = 3,2 А.
Определим параметры входной цепи транзистора (сопротивление Rу), обеспечивающие его включенное состояние в режиме насыщения, по уравнению
откуда
где – ток базы насыщения, ;
qнас–коэффициент насыщения, определяющий превышение базового тока насыщения транзистора над его граничным значением IБгр. Принимается qнас = 1,5…2,0;
IК нас – ток коллектора насыщения (рисунок 2.1, б)
IК нас=3А, тогда А.
В результате:
Ом.
ВыбираемRу = 13 Ом из стандартного ряда Е24 (приложение В).
Определяем параметры входной цепи, обеспечивающие режим запирания транзистора (режим отсечки).
Для обеспечения режима глубокой отсечки сопротивление Rу должно удовлетворять неравенству
Ом.
Окончательно выбираемRу = 13 Ом.
Модель электронного ключа в среде Multisim (файл «Ключ на биполярном транзисторе.ms11») приведена на рисунках 2.2 (режим насыщения - нагрузка включена) и 2.3 (режим отсечки – нагрузка отключена). Питание осуществляется от источника Uу1.
Рисунок 2. 2 – Модель электронного ключа на биполярном транзисторе в режиме насыщения
Рисунок 2.3 – Модель электронного ключа на биполярном транзисторе в режиме отсечки
Результаты моделирования:
IБ нас=0,29А; IК нас=3,063А; Uвых=15,315В (режим насыщения);
IБотс=4,829мкА; IКотс=0,021мА; Uвых=0,104мВ (режим отсечки),
хорошо согласуются с расчётными значениями.
Подав на вход схемы прямоугольные импульсы от источника UУ, получаем временные диаграммы работы электронного ключа (рисунок 2.4). В результате определяем: время фронта tф=1 мкc, время среза tc=1,5 мкc.
Рисунок 2.4 – Временные диаграммы работы электронного ключа
Задача 2. Расчёт режима работы схемы включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ) по постоянному току.
Выполнить расчёт и выбор элементов схемы включения заданного полевого транзистора с управляющим p-n– переходом с общим истоком (ОИ) по постоянному току при работе в режиме класса А при напряжении источника питания ЕС и IС=(0,3∙IСmax – группа №1; 0,4∙IСmax– группа №2;0,5∙IСmax– группа №3;0,6∙IСmax– группа №4). Исходные данные к задаче приведены в таблице 2.2. Необходимо описать работу схемы, по аналитическим зависимостям определить сопротивление автоматического смещения RИ, сопротивление в цепи стока RС и цепи затвора RЗ, осуществить моделирование работы схемы в среде Multisim.
Таблица 2.2 – Исходные данные к задаче 2
Номер варианта | Тип транзистора | ЕС, В |
2N2608 | ||
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N2608 |
Окончание таблицы 2.2
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N2608 | ||
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N2608 | ||
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N2608 | ||
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N2608 | ||
2N3970 | ||
2N4091 | ||
2N4318 | ||
2N4318 | ||
2N3972 |
Пример решения задачи 2. Вариант 31
Транзистор 2N3972 имеет канал n-типа и работает при UС>0 и UЗИ ≤ 0. Такой режим может быть обеспечен одним источником питания с применением так называемого «автоматического смещения». Схема имеет вид, показанный на рисунке 2.5. Принцип ее работы описан в [3].
Рисунок 2.5 – Схема включения полевого транзистора с ОИ
Параметры транзистора2N3972(приложение Д):
–напряжение отсечки Uотс = 0,5 В;
–максимальный ток стока IС max = 30мА.
Аналитическая зависимость имеет вид:
Откуда
Пусть ток стока в рабочей точке вдвое меньше максимального тока IСmax, т.е. IС = 30/2 = 15 мА. Тогда
Найдем сопротивление автоматического смещения. Так как IЗ <<IС, напряжение затвор-исток равно падению напряжения на RИ, поэтому
Ближайший номинал из стандартного ряда Е24 (приложение В) равен 10 Ом.
Сопротивление резистора RЗ выбираем из условия
, приняв А.
Отсюда получаем
Выбираем из ряда номиналов резистор с сопротивлением 100 кОм.
Сопротивление резистора RС находим из уравнения токов и напряжений в схеме:
Считаем, что усилитель работает в режиме класса А, и принимаем
Решаем уравнение относительно RС:
кОм.
Выбираем ближайший из ряда Е24 номинал RC = 680 кОм.
Модель схемы включения полевого транзистора в среде Multisim (файл «Задание рабочей точки полевого транзистора.ms11») приведена на рисунке 2.6. Результаты моделирования: Iз=0,015мкА;Uзи= –0,147В, Ic=15мА (задано Ic=15мА), Uси=9,753В, хорошо согласуются с расчётами.
Рисунок 2.6 – Модель схемы включения полевого транзистора для обеспечения заданного выходного напряжения