Снятие передаточной характеристики транзисторного ключа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

Кафедра: «Электрическая связь»

Лабораторная работа №9

«Исследование транзисторного ключа»

Выполнила: Иванова К.В.

АТ-15

Проверил:

Санкт-Петербург

Содержание

1.Цель работы……………………………………………………………..

2. Краткие теоретические сведения по работе………………………..

3. Схемы, используемые в работе………………………………………

4. Снятие передаточной характеристики транзисторного ключа…

5. Исследование методов повышения быстродействия ключа……..

6. Исследование работы ненасыщенного ключа……………………..

7. Выводы………………………………………………………………….

Цель работы: Исследование работы транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Краткие теоретические сведения по работе.

Транзисторный ключ предназначен для замыкания и размыкания цепи нагрузки под воздействием управляющих импульсов входного сигнала. Он также является основным базовым элементом импульсных и цифровых устройств.

В статическом режиме ключевая схема находится либо в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут).

Переключение ключевой схемы из одного состояния в другое осуществляется благодаря воздействию на нее входного управляющего сигнала имеющего форму импульса или уровней напряжений: соответственно низкого, обозначаемого U⁰, и высокого, обозначаемого U¹.

В данной работе исследуется наиболее распространенный транзисторный ключ, включенный по схеме с общим эмиттером. Ключевое устройство (ключ) служит для переключения цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов и работает в двух режимах: включенном или выключенном.

В качестве ключей могут использоваться механические выключатели, электромагнитные реле и электронные, выполненные на транзисторе, диодах и других электронных устройствах.

Если механический выключатель S (рис. 1,а) замкнут, то его сопротивление Rs =0 и напряжение u_вых=0 (рис. 1,б). Если ключ S разомкнут (в течение интервала времени t₁ –t₂)- то его сопротивление Rs = ∞, а выходное напряжение равно напряжению питания, т. е. u_вых = U_п

В транзисторном ключе (рис. 1, в) при отсутствии сигнала на входе u_вх транзистор VТ должен быть закрыт (должен находиться в режиме отсечки, см. точку b на пересечении линии нагрузки

(Iк_mах = U_п / R_k, U_п) на рис. 1, д) с выходной характеристикой U_K (I_K) транзистора VТ при I_Б= 0). При этом напряжение на коллекторе

u_вых = U_п - U_пор -, где U_пор - пороговое напряжение отпирания транзистора (рис. 4.9, г). Уровень входного сигнала U_вx1 должен быть таким, чтобы ток базы I_Б = U_вx1 / R_Б обеспечил полное открытие транзистора VT (см. точку а на рис. 1,д), т. е. транзистор должен работать в режиме насыщения.

Тогда напряжение u_вых ≈ U_п - R_кI_к = U_K0 ≈ 0, так как сопротивление коллектор - эмиттер в режиме насыщения невелико.

На рис. 2 приведены упрощенные временные диаграммы входного u_вх и выходного u_вых напряжений при одиночном импульсе на входе (рис. 2,а) и при подаче последовательности прямоугольных импульсов (рис. 2,б). При u_вх < U_пор транзистор VТ закрыт (u_вых ≈ U_п), а при u_вх > U_вx1, u_вых = U_K0, где U_K0 - напряжение на открытом транзисторе (см. рис. 1, д).

Рис.1 – Изображение ключей

В реальном электронном ключе при открытом и закрытом состояниях сопротивления имеют конечные значения, а также наблюдается промежуток времени как при спаде, так и при нарастании напряжения u_вых, что ограничивает частоту f= 1/T переключения ключа (см. рис. 2, а).

Рис.2 – характеристики ключей

Итак, принцип работы транзисторного ключа заключается в его открытии входным сигналом u_вх (в переводе транзистора в режим насыщения) или в его закрытии (в переводе в режим отсечки) и в формировании перепада напряжения U_m (от уровня напряжения U_п до уровня U_K0).

В качестве ключей в ключевых устройствах применяют как биполярные, так и МДП-транзисторы, работающие в режиме большого входного сигнала.

Схемы, используемые в работе

Рис.3 Схема для снятия передаточной характеристики транзисторного ключа

Рис.4 Схема исследования насыщенного транзисторного ключа

Рис 5. Схема исследования ненасыщенного ключа без диода

Снятие передаточной характеристики транзисторного ключа

Изменяя входное напряжение от 0 до 1.1 В измеряем выходное напряжение. Результаты измерений заносим в таблицу:

		0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.65	0.66
	4.99	4.99	4.99	4.99	4.99	4.988	4.897	4.564	4.444
	0.7	0.8	0.85	0.9	1.0	1.1	---	---	---
	3.778	1.349	0.202	0.144	0.116	0.103	---	---	---

По полученной таблице и в результате моделирования определяем пороговые значения ключа , .

U¹_{вых мин} - соответстствует напряжению, которое предшествует изменению показания (с красного на белый) индикатора на выходе.

U⁰_{вых макс. -} соответстствует напряжению, которое предшествует изменению показания (с белого на красный) входного индикатора.

По результатам произведенных измерений построим передаточную характеристику транзисторного ключа (рисунок 6)

Рисунок 6. Передаточная характеристика транзисторного ключа

Исследование методов повышения быстродействия ключа

Исследование схемы насыщенного транзисторного ключа

Собираем схему на рисунке 4 (ключ разомкнут)

Напряжение на входе 1,5 В;
частота 50кГц;
R_б = 50кОм;
Rк = 2кОм;
Eк = 5В;

Осциллограмма работы насыщенного транзисторного ключа.

По полученной осциллограмме определяем временные параметры транзисторного ключа по следующей методике:

С учетом масштаба по оси времени 0,02 сек/деление, получаем

Исследование схемы транзисторного ключа с ускоряющей емкостью.

Собираем схему на рисунке 4 (ключ замкнут)

Рисунок 7. Осциллограмма работы насыщенного транзисторного ключа (передний фронт)

Рисунок 8. Осциллограмма работы насыщенного транзисторного ключа (задний фронт)

По полученным осциллограмме определяем временные параметры транзисторного ключа.

С учетом масштаба по оси времени 0,02 сек/деление: