А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника - Методические указания для решения задач

Рисунок 5.1 – Входной импульс (а) и схема (б) однокаскадного ключевого усилителя

Необходимо:

1)выбрать тип транзистора;

2)рассчитать величину сопротивления резистора RБ;

3)проверить правильность расчета величины сопротивления резистора RБ по

условию надежного запирания транзистора при ϕВ;

4)построить в масштабе диаграммы напряжений uBX и uВЫХ;

5)определить коэффициенты усиления КI , KU, KP .

5.2Пример решения задачи

Решим задачу для N=30. Рассчитаем исходные данные:

ϕВ = 1,0 – 0,03·30 = 0,1 В;	RН = 0,17·30 = 5,1 кОм;
ϕН = –9 + 0,2·30 = –3 В;	fMAX = 0,03·30 = 0,9 Мгц;
ЕК = 70 – 2·30 = 10 В;	tMAX = 60 – 30 = 30 °C.
1. Выбор типа транзистора производится по:
а) максимальному току, который может протекать по		коллектору в данной
схеме, IК MAX
IК MAX ≤ [IК MAX];		(5.1)

б) максимальному напряжению, которое может прикладываться к коллектору в данной схеме, UК MAX

UК MAX ≤ [UК MAX];	(5.2)
в) максимальной частоте входного сигнала, fMAX
fMAX ≤ [fMAX];	(5.3)

30

г) максимальной температуре окружающей среды, tMAX

tMAX ≤[tMAX],

(5.4)

где [IК MAX], [UК MAX], [fMAX], [tMAX] – паспортные значения вышеперечисленных величин, которые находятся по справочнику.

Максимальный ток по коллектору будет протекать тогда, когда транзистор работает в области насыщения, т.е. когда он открыт и его сопротивление «эмиттер-коллектор» близко к нулю. Поэтому схему выходной цепи транзистора для данного случая представлена на рисунке 5.2, а:

Рисунок 5.2 – Схемы выходной цепи ключевого усилителя при открытом (а) и закрытом (б) состоянии транзистора

Из рисунка 5.2, а следует, что

IК MAX = ЕК / КР = 10 / 5,1 = 1,96 мА

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером будет возникать тогда, когда транзистор работает в области отсечки, т.е. когда он закрыт и его сопротивление «эмиттор-коллектор» близко к бесконечности. Выходная цепь транзистора для данного случая изображена на рисунке 5.2, б.

UК MAX = ЕК = 10 В.

Теперь по рассчитанным и исходным данным необходимо выбрать тип транзистора. Для этого следует воспользоваться любыми справочниками по транзисторам. В таблице 5.1 приведены типы и справочные данные некоторых транзисторов, которые можно применять для решения данной задачи.

31

Таблица 5.1 – Основные параметры некоторых транзисторов типа p-n-p

Тип тран-	[IК MAX],	[UКЭ MAX],	[fMAX],	[tMAX],	h21Э MIN	IКО,мкА	Материал
зистора	мА	В	Гц	°C		tСР=20°С
МП20А	300	30	2	60	50	50	Г
МП20Б	300	30	1.5	60	80	50	Г
МП21Ж	300	60	1.5	60	20	50	Г
МП21Г	300	40	1	60	20	50	Г
МП21Д	300	50	1	60	60	50	Г
МП21Е	300	70	0.7	60	30	50	Г
МП25	300	40	0.2	60	7	75	Г
МП25А	400	40	0.2	60	10	75	Г
МП25Б	400	40	0.5	60	15	75	Г
МП26	300	70	0.2	60	7	75	Г
МП26А	400	70	0.2	60	10	75	Г
МП26Б	400	70	0.5	60	15	75	Г
МП40А	150	20	1	60	10	15	Г
МП41	150	10	1	60	15	15	Г
МП114	50	60	0.1	110	9	10	К
МП115	50	30	0.1	110	9	10	К
МП116	50	15	0.5	110	15	10	К
МП42	150	15	1	70	10	25	Г
МП42А	150	15	1	70	15	25	Г
МП42Б	150	15	1	70	25	25	Г

Для дальнейших расчетов выбираем транзистор МП41.

2. Для определения величины сопротивления резистора RБ необходимо вначале определить ток IБ, который протекает по этому сопротивлению. Известно, что

IБ = IK MAX / h21Э MIN ,

(5.5)

где h21Э MIN – статический коэффициент усиления по току транзистора МП41 (таблица 5.1).

IБ = 1,96 / 15 = 0,131 мА.

Обычно IБ нас , т.е. ток базы, при котором транзистор надежно перейдет в область насыщения, принимается несколько больше тока рассчитанного по

(5.2):

IБ нас = (1,5 ...

2)·IБ.

(5.6)

32

IБ нас = 0,2 мА.

Величина сопротивления резистора RБ определяется из условия, что транзистор находится в открытом состоянии. Это будет происходит тогда, когда на вход усилителя будет подано напряжение ϕН, а по входной цепи будет протекать ток IБ нас. Входная цепь транзистора для этого случая показана на рисунке

5.3.

Рисунок 5.3 – Схема входной цепи для открытого состояния транзистора

Составим уравнение по 2 закону Кирхгоффа для входной цепи усилителя (рисунок 5.3):

ϕН = UЭБ О + IБ нас·RБ ,

(5.7)

где UЭБ О – падение напряжения между эмиттером и базой открытого транзистора, можно принять равным 0.5 ... 1 В.

Из (5.7) выразим RБ

RБ = (ϕН – UЭБ О) / IБ нас = (3 – 1) / 0,2 = 10 кОм.

3. Проверка правильности расчета величины сопротивления резистора RБ производится при условии, что транзистор закрыт входным сигналом ϕВ. В этом случае по цепи (рис.5.1): (+) входа усилителя, резистор RБ, база, коллектор, нагрузка, ЕК, (–) входа усилителя потечет обратный ток коллектора IК О. Этот ток, протекая по RБ, создает на нем падение напряжения, которое, в свою очередь, уменьшает напряжение, подаваемое на переход эмиттер-база транзистора. Поэтому сопротивление резистора RБ не должно быть больше некоторой величины, при которой транзистор может не закрыться.

Изобразим на рисунке 5.4 входную цепь усилителя при закрытом транзисторе.

33

Рисунок 5.4 – Схема входной цепи для закрытого состояния транзистора

На основании рисунка 5.3 составим уравнение по 2 закону Кирхгоффа для входной цепи усилителя:

ϕВ = I′К О·RБ + UЭБ З ,

(5.9)

где UЭБ З – напряжение, прикладываемое между базой и эмиттером, которое необходимо, чтобы закрыть транзистор.

Очевидно, что для закрытия транзистора должно выполняться следующее условие:

UЭБ З = ϕВ – I′К О·RБ > 0.	(5.10)
Отсюда нетрудно получить, что
RБ < ϕВ / I′К О	(5.11)

Обратный ток коллектора сильно зависит от температуры. Его можно определить по формуле

IK′ O = IK′ O(t=20 0C ) A(tMAX −tCP )10 ,

(5.12)

где IК О (t=20 °C) – паспортное значение обратного тока коллектора при tСР =20 °C (таблица 5.1);

А – коэффициент, равный 2 для германиевых транзисторов и 3 — для кремниевых.

Подставим исходные и паспортные значения в (5.12) и (5.11):

I′К О = 15·2(30-20)/10 = 30 мкА = 0,03 мА;

RБ < 0,1 / 0,03 = 3,33 кОм.

34

Таким образом, по выражению (5.7) RБ = 10 кОм, а по (5.11) он должен быть RБ < 3.33 кОм, поэтому из таблицы 2.2 выбираем резистор с сопротивлением RБ = 3.3 кОм.

Далее следует уточнить значение тока IБ нас при окончательно выбранном резисторе RБ. Воспользуемся выражением (5.3):

IБ нас = (ϕН – UЭБ О) / RБ.

(5.13)

IБ нас = (3 – 1) / 3,3 = 0,61 мА.

4. Для построения диаграмм uВХ и uВЫХ примем, что транзистор представляет собой идеальный ключ. Это означает, что в открытом состоянии транзистора сопротивление «эмиттер-коллектор» равно нулю, а в закрытом — бесконечности. Изобразим в масштабе диаграмму uBX и на основании ее будем строить диаграмму uВЫХ (рисунок 5.5).

До т.1 uВХ было постоянным и равнялось 0,1 В. Транзистор закрыт, он работает в области отсечки, и его сопротивление «эмиттер-коллектор» близко к бесконечности. Следовательно, по сопротивлению RH ток не течет, и падение напряжения на нем, а значит и uBX, также равны нулю (рисунок 5.5).

Вт.1 напряжение на базе относительно эмиттера начинает уменьшаться,

но до т.1′ оно остается больше нуля, поэтому транзистор до т.1′ закрыт, и uВЫХ также равно нулю (рисунок 5.5).

После т.1′ потенциал базы относительно эмиттера становится меньше нуля и транзистор начинает открываться. Сопротивление «эмиттер-коллектор» уменьшается, и ток на нагрузке увеличивается. Следовательно, напряжение на нагрузке увеличивается (рисунок 5.5).

Вт.2′ ток IБ достигает величины IБ нас. Транзистор полностью открывает-

ся, и по нагрузке протекает ток IК MAX. При этом uВЫХ = EK.

Транзистор открыт до т.3′. После этого процессы повторяются в обратном порядке (рисунок 5.5).

5. Для определения коэффициента усиления по току воспользуемся результатами (5.1) и (5.13), а для определения коэффициента усиления по напря-

жению воспользуемся диаграммами на рисунке 5.5:
KI = IK MAX / IБ нас = 1,96 / 0,61 = 3,23;	(5.14)
KU = EK / ϕH = 10 / 3 = 3,33;	(5.15)
KP = KI ·KU = 3,23·3,33 = 10,77.	(5.16)

35

Рисунок 5.5 – Временные диаграммы входного и выходного напряжений ключевого усилителя

Список использованных источников

1.Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп.–М.: Транспорт, 1999, 464 с.

2.Низов А.С., Штин А.Н. Электронная и преобразовательная техника. Часть 1: Конспект лекций с методическими указаниями для выполнения лабораторных работ и условиями задач, – Екатеринбург: УрГУПС. 1995,140 с.

3.Низов А.С. Электроника. Конспект лекций, – Екатеринбург: УрГУПС, 2006, (http://www.els.usurt.ru/).

36

Анатолий Семенович Низов Андрей Николаевич Штин Константин Геннадьевич Шумаков

Э Л Е К Т Р О Н И К А

ЗАДАЧИ (Часть I)

Методические указания к решению задач для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» всех форм обучения

Редактор С.В. Пилюгина

Набор текста и рисунков К.Г. Шумаков

620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС Редакционно-издательский отдел

Бумага писчая №1	Подписано в печать	Усл. печ. л. 2,4
Тираж 240 экз.	Формат 60×90 1/16	Заказ

37