Практическое занятие № 2.Расчет устройств на биполярных и полевых транзисторах

Задача 1. Расчёт электронного ключа на биполярном транзисторе.

Разработать схему электронного ключа на биполярном транзисторе. Исходные данные к задаче (напряжение питания U_П, сопротивление нагрузки R_Н, входные (управляющие) напряжения U_У, соответствующие включенному и отключенному состоянию нагрузки) приведены в таблице 2.1(R _Низ таблицы – группа №1; 0,8∙ R _Н– группа №2;1,2∙ R _Н– группа №3; 1,4∙ R _Н– группа №4). Необходимо графоаналитически определить сопротивление управления в цепи базы R_У, описать принцип работы схемы, осуществить моделирование её работы в среде Multisim, определить длительность фронта t_ф и среза импульса t_С 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 I_{k max} = 7А;

– максимальное напряжение коллектора-эмиттера U_{КЭ 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 I_К0 = 1,5 мА;

– сопротивление цепи базы r_б = 1,5 Ом.

На выходных характеристиках транзистора (рисунок 2.1, б) проведём нагрузочную прямую. Она пройдёт через точки U_КЭ = U_П= 16 В и I_кз = 3,2 А.

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

откуда

где – ток базы насыщения, ;

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

I_{К нас} – ток коллектора насыщения (рисунок 2.1, б)

I_{К нас}= 3А, тогда А.

В результате:

Ом.

Выбираем R_у = 13 Ом из стандартного ряда Е24 (приложение В).

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

Для обеспечения режима глубокой отсечки сопротивление R_у должно удовлетворять неравенству

Ом.

Окончательно выбираем R_у = 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 U_{у 1}.

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:

I_{Б нас} =0,29А; I_{К нас} =3,063А; U_вых =15,315В (режим насыщения);

I_Ботс =4,829мкА; I_Котс =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 2.4). В результате определяем: время фронта t_ф= 1 мкc, время среза t_c= 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 Е_С и I_С=( 0,3 ∙I_{С max} – группа №1; 0,4 ∙I_{С max}– группа №2;0,5 ∙I_{С max}– группа №3;0,6 ∙I_{С max}– группа №4 ). Исходные данные к задаче приведены в таблице 2.2. Необходимо описать работу схемы, по аналитическим зависимостям определить сопротивление автоматического смещения R_И, сопротивление в цепи стока R_С и цепи затвора R_З, 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 U_С> 0 и U_ЗИ ≤ 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 U_отс = 0,5 В;

–максимальный ток стока I_{С max} = 30мА.

Аналитическая зависимость имеет вид:

Откуда

Пусть ток стока в рабочей точке вдвое меньше максимального тока I_Сmax, т.е. I_С = 30/2 = 15 мА. Тогда

Найдем сопротивление автоматического смещения. Так как I_З <<I_С, напряжение затвор-исток равно падению напряжения на R_И, поэтому

Ближайший номинал из стандартного ряда Е 24 (приложение В) равен 10 Ом.

Сопротивление резистора R_З выбираем из условия

, приняв А.

Отсюда получаем

Выбираем из ряда номиналов резистор с сопротивлением 100 кОм.

Сопротивление резистора R_С находим из уравнения токов и напряжений в схеме:

Считаем, что усилитель работает в режиме класса А, и принимаем

Решаем уравнение относительно R_С:

кОм.

Выбираем ближайший из ряда Е24 номинал R_C = 680 кОм.

Модель схемы включения полевого транзистора в среде Multisim (файл «Задание рабочей точки полевого транзистора.ms11») приведена на рисунке 2.6. Результаты моделирования: I_з= 0,015мкА; U_зи= – 0,147В, I_c= 15мА (задано I_c= 15мА), U_си= 9,753В, хорошо согласуются с расчётами.

Рисунок 2.6 – Модель схемы включения полевого транзистора для обеспечения заданного выходного напряжения

Дата добавления: 2015-05-06