Пример решения задачи 1.2

Разработать схему электронного ключа на биполярном транзисторе. Исходные данные к задаче:

- напряжение питания U_П =16 В;

- сопротивление нагрузки R_Н = 5 Ом;

- входные (управляющие) напряжения U_У = +0,4 В; +5В.

Необходимо осуществить выбор биполярного транзистора, определить и выбрать из стандартного ряда (приложение Б) сопротивление в цепи базы R_Б. Осуществить моделирование работы ключа в среде Multisim, определить длительность фронта t_ф и среза импульса t_С выходного напряжения.

Решение.

Схема электронного ключа приведена на рисунке 1.4.

Биполярный транзистор VT1 подключен по схеме с общим эмиттером. Напряжение управления U_У подаётся на базу транзистора. Ток базы I_Б задается сопротивлением R_Б в его цепи. Нагрузка R_Н включена в цепь коллектора транзистора с током I_К. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом передачи по току транзистора β= I_К/ I_Б.

а)

б)

Рисунок 1.4 – Схема электронного ключа (а) и выходные характеристики биполярного транзистора (б)

В случае подачи на базу транзистора отрицательного или низкого напряжения управления U_У, ток базы I_Б минимален. Рабочая точка транзистора (пересечение выходной статической характеристики при определённом токе базы с нагрузочной прямой) стремиться к положению II – режим отсечки транзистора (рисунок 1.4, б). Ток коллектора I_К при этом стремиться к нулю (транзистор закрыт), напряжение коллектор – эмиттер U_КЭ приближается к напряжению питания U_П, а напряжение на нагрузке U_ВЫХ стремиться к нулю.

В случае подачи на базу транзистора большого положительного напряжения управления U_У, ток базы I_Б достаточно большой. Рабочая точка транзистора стремиться к положению I – режим насыщения транзистора (рисунок 1.4, б). Ток коллектора I_К при этом стремиться к насыщению I_Кнас = U_П/R_Н (транзистор полностью открыт), напряжение коллектор – эмиттер U_КЭ стремится к нулю, а напряжение на нагрузке приближаетсяк напряжению питания U_П.

Ток коллектора насыщения для нашей задачи в режиме короткого замыкания транзистора VT1 составляет:

А.

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора должно быть больше напряжения питания

В.

Выбираем транзистор 2N3879 (аналог КТ908А) со следующими параметрами (приложение В) [6,7]:

– максимальный ток коллектора I_К _max = 7А > I_К _нас=3,2 А;

– максимальное напряжение коллектор-эмиттер

U_КЭ _max = 75В > U_П = 16 В;

– 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 I_К0 = 1,5 мА;

– сопротивление цепи базы r_б = 1,5 Ом.

Определим параметры входной цепи транзистора (сопротивление R_Б), обеспечивающие его включенное состояние в режиме насыщения, по формуле

где – максимальное напряжение управления для режима насыщения;

– ток базы насыщения,

;

q_нас – коэффициент насыщения, определяющий превышение базового тока насыщения транзистора над его граничным значением. Принимается q_нас = 1,5…2,0.

Выбираем R_Б = 12 Ом из стандартного ряда Е24 (приложение Б).

Определяем параметры входной цепи, обеспечивающие режим запирания транзистора (режим отсечки).

Для обеспечения режима глубокой отсечки сопротивление R_Б должно удовлетворять неравенству

Ом.

Окончательно выбираем R_Б = 12 Ом.

Для проверки правильности расчёта осуществим моделирование работы ключа в среде Multisim.

Модель электронного ключа в среде Multisim приведена на рисунках 1.5 (режим насыщения - нагрузка включена) и 1.6 (режим отсечки – нагрузка отключена). Питание осуществляется от источника U_у1.

Рисунок 1.5 – Модель электронного ключа на биполярном транзисторе в режиме насыщения

Результаты моделирования:

I_{Б нас} =0,314А; I_{К нас} =3,065А; U_вых =15,323В (режим насыщения);

I_{Б отс} =4,829мкА; I_{К отс} =0,021мА; U_вых =0,104мВ (режим отсечки),

хорошо согласуются с расчётными значениями.

Подав на вход схемы прямоугольные импульсы от источника U_У, получаем временные диаграммы работы электронного ключа (рисунок 1.7). В результате определяем: время фронта t_ф= 1 мкc, время среза t_c= 1,42 мкc.