Ключи на биполярных транзисторах

Кафедра «Мехатронные системы»

 

 

Методические указания к лабораторной работе

"Автоматическое управление яркостью излучения лампы накаливания методом ШИМ"

по дисциплине

"Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем"

 

Ижевск 2017

Задача: разработать и исследовать систему автоматического управления яркостью излучения лампы накаливания методом ШИМ. При уменьшении освещения увеличивается яркость излучения лампы накаливания. Напряжение питания лампы: от 6 до 36 В. Для управления током лампы разработать усилитель мощности на транзисторном ключе (биполярном и полевом). В качестве датчика обратной связи использовать фоторезистор или другой датчик излучения света.

Минимальному уровню освещения (при закрытом датчике) соответствует максимальная яркость излучения лампы накаливания, максимальному уровню освещения (при солнечном свете) соответствует минимальная яркость излучения лампы накаливания (0%).

Разработать алгоритм автоматического управления яркостью излучения лампы накаливания и программу управления на Ардуино или другом контроллере, для отладки программ предусмотреть вывод значений с датчика и аналогового выхода (ШИМ) на последовательный монитор. Выполнить моделирование силовой части в программе Multisim или в аналогичной программе.

Провести измерения ШИМ сигналов и сигналов с датчика на осциллографе и зафиксировать их для отчета.

 

Ключи на биполярных транзисторах

В зависимости от целевого назначения транзисторного ключа и особенностей его работы схема ключа может несколько видоизменяться.

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с общим эмиттером. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.

Транзисторный ключ выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима – статический и динамический.

В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). При этом коллекторный ток определяется только тепловым током.

При использовании ключа в логических интегральных схемах, в которых обычно применяются транзисторы типа p-n-p, запирающее напряжение положительно и в этом случае имеет место только условное запирание транзистора, когда его эмиттерный переход смещен в прямом направлении; однако уровень действующего на его входе напряжения меньше порогового уровня, равного 0,6 В, и коллекторный ток транзистора относительно мал, т. е. составляет лишь единицы процентов от тока открытого транзистора.

В открытом состоянии ключа на его входе высокий уровень напряжения (сигнал логической единицы). При этом возможны два режима работы открытого транзистора: работа в линейной области выходной характеристики или в области насыщения.

В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном, при этом для кремниевых транзисторов напряжение на эмиттерном переходе составляет 0,7 В и коллекторный ток практически линейно зависит от тока базы.

В области насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении и изменение тока базы не приводит к изменению коллекторного тока. Для кремниевых транзисторов интегральных схем (ИС) напряжение на смещенном в прямом направлении p-n – переходе составляет около 0,8 В, для германиевых оно равно 0,2 … 0,4 В.

Насыщение ключа достигается увеличением тока базы. Однако при некотором его значении, которое называется базовым током насыщения (I_бн), дальнейший рост тока базы практически не приводит к росту коллекторного тока насыщения (I_кн), при этом напряжение на коллекторе (с учетом коллекторной нагрузки) составляет несколько десятков или сотен милливольт (в ИС около 0,1 … 0,2 В). Одной из важных характеристик ключа в режиме насыщения является коэффициент насыщения S.

 

;

 

На границе насыщения S=1; при его увеличении увеличивается нагрузочная способность ключа, уменьшается влияние различных дестабилизирующих факторов на его выходные параметры, но ухудшается быстродействие. Поэтому коэффициент насыщения выбирается из компромиссных соображений, исходя из условий конкретной задачи.

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой следования входных переключающих сигналов. Очевидно, что оно зависит от общей длительности переходного процесса, определяемой инерционностью транзистора и влиянием паразитных параметров (например, перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения). Часто для характеристики быстродействия ключевого (логического) элемента используется среднее время задержки сигнала при его передаче через элемент. При конечной длительности фронта входного сигнала задержки включения и выключения отсчитываются на 10- или 50-процентных уровнях входного и выходного сигналов.

Взаимодействие ключей друг с другом осуществляется через элементы связи. Если уровень напряжения на выходе первого ключа высокий, то на входе другого ключа должен быть уровень, при котором второй ключ открывается и работает в заданном режиме, и, наоборот, если первый ключ открыт, то на входе второго ключа должен быть достаточно низкий уровень, при котором второй ключ закрыт. Цепь связи оказывает существенное влияние на переходные процессы, возникающие при переключении, и, следовательно, на быстродействие ключей. Используемые в ключевых устройствах элементы связи показаны на рис. 1.

 

Рисунок 1 – Схемы включения каскадов на биполярных транзисторах с резисторной связью (а) и дополнительной обратной связью (б)

Ключевой каскад на рис. 1а представляет собой каскад по схеме с ОЭ, на входе которого включен резистор Rb, обеспечивающий при заданном входном напряжении Ui требуемый ток насыщения базы:

 

,

 

где U_бэ =(0,7 … 0,8) В – напряжение база – эмиттер открытого транзистора (здесь и далее имеются в виду кремниевые транзисторы);

S=1,5…2 – коэффициент насыщения;

B – коэффициент усиления транзистора по току;

U_кн =(0,1 … 0,2) В – напряжение на коллекторе открытого транзистора;

Ucc – напряжение питания.

Рассмотрим в качестве примера ключевой каскад, используемый в микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Для них Ucc=5 В, нормируемое минимальное входное напряжение логической единицы Ui=2,4 В. Следовательно, при наихудшем сочетании параметров получаем требуемое сопротивление резистора:

 

 

Когда с предыдущего каскада поступает сигнал логического нуля Ui=0,2 В, транзистор закрыт не полностью. Кроме того, к указанному значению входного напряжения добавляется и падение напряжения на сопротивлении в цепи базы от коллекторного теплового тока. Для компенсации этих составляющих сигнала логического нуля и обеспечения при этом режима отсечки транзистора в классической схеме ключевого каскада предусматривается источник компенсирующего тока, образованного резистором Rbz и источником напряжения – Ub.

Конденсатор Cu называется ускоряющим, он предназначен для повышения быстродействия ключа. Благодаря ему увеличивается отпирающий базовый ток в момент появления сигнала логической единицы. При сигнале логического нуля ускоряется процесс запирания транзистора, поскольку в этом случае ускоряющий конденсатор будет создавать на базе запирающее напряжение отрицательной полярности.

Второй способ повышения быстродействия транзисторного ключа реализуется применением отрицательной обратной связи (рис. 1б). Здесь предотвращается насыщение состояния транзистора за счет использования в цепи отрицательной обратной связи диода VD. Пока напряжение база-коллектор больше падения напряжения на сопротивлении Ro, этот диод заперт, обратная связь отсутствует. При увеличении входного сигнала (и соответственно входного тока) увеличивается и ток коллектора. При достаточно большом входном сигнале напряжение база – коллектор становится равным падению напряжения на сопротивлении резистора Ro, диод VD отпирается и начинает действовать отрицательная обратная связь. Теперь рост базового тока мало влияет на режим работы транзистора, т.к. значительная часть входного тока протекает в этом случае непосредственно через диод и транзистор не переходит в режим насыщения.

Рассмотренный способ применительно к интегральным микросхемам реализуется с помощью диодов Шотки, подключаемых параллельно переходу база-коллектор транзистора, при этом такая комбинация в интегральном исполнении составляет единую структуру – транзистор Шотки.

Существенного повышения быстродействия ключа (рис. 2б) можно добиться только при использовании диодов, имеющих малое время восстановления. Если применять низкочастотные диоды, в которых велико время рассасывания заряда, накопленного в базе, то эффект от введения нелинейной обратной связи будет незначителен. В этом случае диоды Шотки незаменимы: они имеют малое время восстановления (не более 0,1 нс), низкое напряжение отпирания (около 0,25 В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом). При применении диодов Шотки отпадает необходимость во введении дополнительного напряжения смещения. Это обусловлено тем, что диод отпирается при более низком напряжении между коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе активного режима.

Недостатки ненасыщенного транзисторного ключа сводятся к следующему:

1. Падение напряжения на открытом ключе больше, чем в насыщенном режиме (порядка 0,5 В);

2. Ухудшается помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии, в результате чего различные помехи, например, скачки напряжения питания, приводят к изменениям напряжения на транзисторе;

3. Температурная стабильность ненасыщенного ключа значительно хуже, чем у насыщенного.

Рассмотрим простейший транзисторный ключ (рис. 2). Напряжение питания ключа выбрано небольшим (0,5 В), чтобы можно было продемонстрировать на экране осциллографа падение напряжения на открытом ключе. С функционального генератора подаются прямоугольные импульсы амплитудой 2 В с частотой 1 кГц. Лицевая панель генератора с установленными параметрами представлена на рис. 4.

Из результатов моделирования ключа (рис. 5) следует, что падение напряжения на открытом ключе при токе коллектора около 0,5 мА составляет 40 мВ (при напряжении на базе около 0,8 В), т.е. является достаточно большим, что является серьезным ограничением при использовании таких ключей, например, в коммутаторах аналоговых сигналов.

Рисунок 2 – Простейший ключ на биполярном транзисторе

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: