Вибір транзистора для роботи в ключовому режимі

Залежно від величини комутованого струму і напруги розрізняють малопотужні і потужні ключі. Малопотужні зазвичай комутують струми в одиниці міліампер і напруги в одиниці - десятки вольт. Малопотужні ключі, як правило, застосовуються в цифровій техніці при побудові логічних елементів і інших пристроїв.

Потужні (силові) ключі (струми в одиниці ампер, напруги в десятки – сотні вольт) знаходять застосування в силової напівпровідникової техніки.

Транзистор, для роботи в якості ключа, вибирають за наступними параметрами:

1). Максимальний струм колектора;

2). Максимально допустима напруга між колектором і базою транзистора;

3). За частотним властивостям.

Потужність транзистора не є визначальним фактором при його виборі, тому що і у відкритому і в закритому стані потужність розсіювання на транзисторах незначна. При необхідності робиться перевірка транзистора за величиною розсіювання потужності, особливо при роботі ключів на ВЧ.

Зазвичай транзисторний ключ в якості навантаження містить реактивні елементи і при цьому тривалість фронтів колекторного струму і колекторного напруги визначається не стільки інерційними властивостями самого транзистора, скільки властивостями самого навантаження, інерційність якого може на декілька порядків перевищує інерційність транзистора.

 

ХІД РОБОТИ

1.6. Зберіть схему дослідження БТ в ключовому режимі.

1.2. Встановіть резистори в крайнє праве положення. Тумблер ВІДСІЧКА/НАСИЧЕННЯ по черзі встановіть в положення ВІДСІЧКА та НАСИЧЕННЯ та переконайтесь, що напруга U_ке транзистора відповідно прагне до U_Ж та до нуля. Переведіть тумблер в положення НАСИЧЕННЯ.

 

1.3. Встановіть резистор R2 в крайнє праве положення. Змінюючи опір резистора R1 занесіть значення U_ке, U_ке-rк до таблиці 1.

Таблиця 1

UЖ=9В
Uке-rк
Uке
Ік
Rк

 

1.4. За формулою І_к = (U_ке-rк – U_ке)/ r_к розрахуйте та внесіть до таблиці 1 значення струму колектора, для кожного значення R1. За формулою R_к = r_к ×(1+(U_Ж - U_ке-rк) /(U_ке-rк – U_ке)) розрахуйте та внесіть до таблиці 1 значення опору навантаження транзисторного ключа, для кожного значення R1.

 

2.1. Встановіть резистор R1 в крайнє ліве положення. Змінюючи опір резистора R2 занесіть значення U_бе, U_бе-rб до таблиці 2.

Таблиця 2

UЖ=9В
Uбе-rб
Uбе
Uке
Іб
Rб

 

2.2. За формулою І_б = (U_бе-rб – U_бе)/ r_б розрахуйте та внесіть до таблиці 2 значення базового струму, для кожного значення резистора R2. За формулою R_б = r_б ×(1+(U_Ж – U_бе-rк) /(U_бе-rк – U_бе)) розрахуйте та внесіть до таблиці 2 значення опору базового резистора ключа, для кожного значення R2.

 

3.1. Користуючись даними таблиці 1 побудуйте залежність U_ке = f(R_к), використовуючи Майстер діаграм MS EXCEL.

 

3.2. Користуючись даними таблиці 2 побудуйте залежність U_ке = f(R_б), використовуючи Майстер діаграм MS EXCEL.

 

4. Користуючись експериментальними даними та графіками виконайте дії, згідно із завданням до лабораторної роботи.

 

ЗАВДАННЯ

 

4.1. На графіку залежності U_ке = f(R_к) позначте точку переходу транзистора з режиму відсічки активний режим.

4.2. Визначте та вкажіть діапазон значень R_к при яких транзисторний ключ буде знаходитись в режимі: відсічки, активному режимі, насичення (при фіксованих І_б та U_Ж).

4.3. На графіку залежності U_ке = f(R_б) позначте точку переходу транзистора з режиму відсічки активний режим.

4.4. Визначте та вкажіть діапазон значень R_б при яких транзисторний ключ буде знаходитись в режимі: відсічки, активному режимі, насичення (при фіксованих R_к та U_Ж).

4.5. Вкажіть, які дії необхідно здійснити щоб транзистор, який знаходиться в режимі насичення перейшов в активний режим.

4.6. Вкажіть, які дії необхідно здійснити щоб транзистор, який знаходиться в активному режимі перейшов в режим насичення.

4.7. Вкажіть, які дії необхідно здійснити щоб транзистор, який знаходиться в режимі відсічки перейшов в активний режим.

4.8. Вкажіть, які дії необхідно здійснити щоб транзистор, який знаходиться в активному режимі перейшов в режим відсічки.

4.9. Вкажіть, в яких режимах повинен працювати транзистор, щоб забезпечити ключовий режим комутації навантаження.

4.10. Вкажіть, які схемні рішення застосовують для підвищення швидкодії транзисторних ключів.

4.11. Поясніть, завдяки чому підвищується швидкодія транзисторних ключів із нелінійним ЗЗ.

4.12. Поясніть, завдяки чому підвищується швидкодія транзисторних ключів із діодами Шоткі.

4.13. Поясніть, завдяки чому підвищується швидкодія транзисторних ключів із RC – ланкою.

 

5. Вимоги до оформлення звіту.

· Звіт необхідно оформити в текстовому редакторі MS WORD.

· Звіт повинен містити:

- титульну сторінку;

- мету роботи;

- схеми дослідів;

- таблиці з даними;

- розрахунки параметрів згідно із індивідуальним завданням.

 

ДОДАТОК

В додатку наведена схема електрична принципова лабораторного макету.

Додаток 1

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

ТЕМА: Дослідження випрямлячів.

МЕТА: Дослідити роботу та визначити основні параметри схем випрямлення: однонапівперіодної, двонапівперіодної мостової, двонапівперіодної із відводом від середини обмотки трансформатора.

ОБЛАДНАННЯ:

- лабораторний макет;

- осцилограф.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Більшість електронних керуючих, вимірювальних, обчислювальних та інших пристроїв живляться напругою постійного струму. Мережева напруга змінна, з частотою 50 Гц одно або трьохфазна. Тому практично кожен електронний прилад має автономний перетворювач напруги змінного струму в напругу постійного струму.

В загальному випадку перетворювач напруги містить трансформатор, випрямляч, згладжувальний фільтр та стабілізатор постійної напруги. Основним вузлом перетворювача є випрямляч.

Випрямлячі

Розрізняють некеровані та керовані випрямлячі. Для побудови некерованих випрямлячів застосовують напівпровідникові діоди, а для побудови керованих - тиристори. Схема найпростішого однонапівперіодного випрямляча приведена на рис. 1а). На рис. 1б) приведені відповідні цій схемі епюри напруг та струмів.

Схема складається з: джерело синусоїдальної напруги , випрямляючий діод, та навантаження . При аналізі роботи схеми будемо вважати, що опір діода в прямому напрямі рівний нулю, а в зворотному - наскінченності. При таких припущеннях через навантаження протікає несинусоїдальний періодичний струм, у вигляді напівхвиль синусоїди

Цей струм створює на опорі падіння напруги в вигляді періодичних пульсацій. З врахуванням прийнятих допущень амплітудне значення пульсацій рівне амплітудному значенню вхідної напруги (рис. 1в)). Під час від ємного напівперіода вхідної напруги вся напруга джерела падає на нескінченному опорі діода. Таке падіння напруги називають зворотною напругою діода, а випрямляч - однонапівперіодним.

Рис. 1в) наглядно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Т рівний періоду вхідної напруги. Значить і частота пульсацій рівна частоті вхідної напруги f, а кратність пульсацій

. (1)

Визначимо інтегральні параметри випрямленої напруги. Середнє значення струму визначимо виразом:

. (2)

Аналогічно

. (3)

Діюче значення випрямленого струму

. (4)

Відповідно

. (5)

Для оцінки якості випрямленої напруги застосовують спеціальний параметр - коефіцієнт пульсацій - Він визначається відношенням амплітуди першої гармоніки випрямленої напруги (пульсацій) - до середнього значення - :

. (6)

Розкладання в ряд Фур’є функції, представленої рис. 1в) має вигляд:

.

В цьому ряді перший член - постійна складова - середнє значення випрямленої напруги, а амплітуда першої гармоніки

,

тому

. (7)

Таким чином, схема однонапівперіодного випрямляча дозволяє отримати невисокі значення середнього і діючого струмів та напруг і має велике значенням пульсацій - К_п = 1,57.

Значно кращі параметри має схема двонапівперіодного випрямляча, розроблена в 1901 г. академіком Міткевичем (рис.2а)). Схема складається із джерела синусоїдальної напруги, трансформатора с відводом від середньої точки вторинної обмотки, двох діодів та опіру навантаження - R_H. Опір навантаження включено між катодами діодів та середньою точкою вторинної обмотки.

На інтервалі часу від 0 до Т/2 (рис.2б)) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора така, як показано на рис. 2а). До діода Д1 прикладена пряма напруга, а до діода Д2 - зворотна. В колі вторинної обмотки потече струм i₁ від точки 1, через діод Д1, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Цей струм створює падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіода вхідної напруги.

На інтервалі від Т/2 до Т (негативний напівперіод) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора змінюється на протилежну. Тепер вже до диода Д2 прикладена пряма напруга, а к діода Д1 - зворотна. В колі вторинної обмотки потече струм i₂ от точки 1^', через діод Д2, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Напрям струму через R_H залишається таким самим як і під час позитивного напівперіода. Тому цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі негативного напівперіода. Через це такий випрямляч часто називають двухнапівперіодним.

Рис.2в) наглядно демонструє, що період пульсацій випрямленої напруги Т_п в два рази менший періоду вхідної напруги. Отже

; ; ; ; (8) ; (9) (10)

; (11) ; (12)

де: .

Отримані вирази показують, що схема Міткевича має набагато кращі параметри, ніж однонапівперіодний випрямляч. Однак застосування трансформатора с відводом від середньої точки вторинної обмотки не завжди прийнятно. В таких випадках застосовують схему мостового випрямляча (рис. 3). Схема складається із джерела напруги u(t), чотирьох діодів та опору навантаження R_H, яке включено в діагональ моста.

Нехай під час додатного напівперіода вхідної напруги полярність контактів 1 - 1^' така, як показано на рис. 3. В цьому випадку до діодів Д1 и Д4 прикладена пряма напруга, а до діодів Д2 и Д3 - зворотна. В колі випрямляча потече струм i₁ від контакту 1, через діод Д1, опір навантаження R_H, діод Д4, до контакту 1^'. Цей струм створить на опорі навантаження падіння напруги (пульсацію) на інтервалі додатного напівперіода вхідної напруги (див. рис.2в)).

Під час від’ємного напівперіода вхідної напруги полярність контактів 1 - 1^' змінюється на протилежною. Тепер напруга прикладена до діодів Д2 та Д3 - пряма, до діодів Д1 и Д4 – зворотна. В колі випрямляча потече струм i₂ від контакту 1^', через діод Д3, опір навантаження R_H, діод Д2, до контакту 1. Бачимо, що напрям струму через опір R_H не змінився. Значить форма напруги на опорі R_H така як на рис.2в), а параметри мостового випрямляча такі ж як параметри схеми Міткевича.

При напругах на опорі R_H сумірних з напругою на прямозміщеному діодові схема Міткевича має перевагу над мостовою схемою через вищий К.К.Д., а при високій вихідній напрузі на опорі R_H в силу компактності мостова схема має переваги через нижчу ціну трансформатора та більшій компактності.

Порівняння параметрів одно- та двонапівперіодних випрямлячів дозволяє встановити зв’язок меж значенням кратності пульсацій m та коефіцієнта пульсацій К_п. Так для однонапівперіодного випрямляча m = 1, а К_п = 1,57. Для двухнапівперіодного випрямляча m = 2, а К_п = 0,67. Враховуючи, що коефіцієнт пульсацій визначається середнім значенням випрямленої напруги U₀, найдемо залежність . Для цього достатньо проінтегрувати миттєве значення напруги на навантаженні в границях від -Т/2m до Т/2m (тобто в межах однієї пульсації):

.

Замінимо оператор інтегрування dt на dwt. Тоді період Т необхідно замінити на 2p.

Тепер:

. (13)

Отримані рішення свідчать про те, що для підвищення середнього значення випрямленої напруги U₀ (а значить зменшення К_п) необхідно збільшувати кратність пульсацій m. Значення m>2 можна отримати в багатофазних випрямлячах.

 

ХІД РОБОТИ

 

1.1. Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні.

1.2. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.3. Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для однонапівперіодної схеми випрямлення.

1.4. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.5.
Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для двонапівперіодної мостової схеми випрямлення.

1.6. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.7.
Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для двонапівперіодної із відводом від середини обмотки трансформатора схеми випрямлення.

1.8. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

Таблиця 1

 

Завдання	Схема	Осцилограма

2.1. Зафіксуйте амплітудне значення напруги на навантаженні для всіх схем випрямлення та обчисліть середнєвипрямлене та снереднєквадратичне значення напруги на навантаженні. Результати занесіть до табл. 2.

 

Таблиця 2.

Схема випрямлення	Середнєвипрямлене значення випрямленої напруги	Снереднєквадратичне значення випрямленої напруги
- однонапівперіодна
- двонапівперіодна
- двонапівперіодна із середньою точкою

 

3.1. Використовуючи формулу I_R = U_R / R обчисліть значення струму, що протікає через навантаження та випрямні діоди для всіх схем випрямлення.Результати занесіть до табл. 3.

Таблиця 3.

Схема випрямлення	Струм через навантаження	Струм через випрямний діод
- однонапівперіодна
- двонапівперіодна
- двонапівперіодна із середньою точкою

 

4. Користуючись експериментальними даними та теоретичними відомостями виконайте дії згідно із завданням до лабораторної роботи.

 

ЗАВДАННЯ

4.1. Вкажіть, яка схема випрямлення має переваги при малих випрямлених напругах. Чому?

4.2. Вкажіть, яка схема випрямлення має переваги при великих випрямлених напругах. Чому?

4.3. Зарисуйте структурну схему випрямляча та поясніть значення окремих блоків.

4.4. Назвіть основні класифікаційні ознаки схем випрямлення.

4.5. Порівняйте різні схеми випрямлення за коефіцієнтом пульсацій.

4.6. Наведіть приклади застосування однонапівперіодної схеми випрямлення напруги. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.7. Наведіть приклади застосування двонапівперіодної схеми випрямлення напруги. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.8. Наведіть приклади застосування двонапівперіодної схеми випрямлення напруги із середньою точкою. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.9. Назвіть параметри вибору випрямних діодів для однонапівперіодної схеми випрямлення напруги.

4.10. Вкажіть, в якій схемі випрямлення зворотна напруга прикладена до випрямних діодів максимальна.

 

 

5. Вимоги до оформлення звіту.

· Звіт необхідно оформити в текстовому редакторі MS WORD.

· Звіт повинен містити:

- титульну сторінку;

- мету роботи;

- схеми дослідів;

- таблиці з даними;

- епюри напруг;

- розрахунки параметрів згідно із індивідуальним завданням.

 

 

Додаток 1

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

ТЕМА: Дослідження компенсаційного стабілізатора напруги.

МЕТА: Дослідити роботу інтегрального компенсаційного стабілізатора з фіксованим значенням вихідної напруги та визначити його основні параметри. Дослідити роботу та принцип дії інтегрального компенсаційного стабілізатора з регульованим значенням вихідної напруги.

ОБЛАДНАННЯ:

- лабораторний макет;

- вольтметр (тестер).