Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки - главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема - каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ.

Рис. 1. Схема ключа на биполярном транзисторе

До момента времени t₁ эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В режиме отсечки ток базы I_б=0, коллекторный ток I_к равен начальному коллекторному току (обратный ток коллектора), а коллекторное напряжение и_кэ=Е_к.

В промежутке времени t₁…t₂ транзистор открыт. Такое состояние называется режимом насыщения. При этом ток базы определяется в основном сопротивлением резистора R_б и I_б=Е_к/R_б, поскольку сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный переход также открыт, и ток коллектора I_к?Е_к/R_к, а коллекторное напряжение U_к?0. Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором).

Существуют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Повторяющий ключ обычно выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. К простейшим и наиболее распространенным устройством формирования импульсов относят ограничители. Ключи на биполярных транзисторах также используются в качестве ограничителей (выбором рабочей точки не на середине линейного участка).

ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи (ПОС), обеспечивающий устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний приведена на рис. 2. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном ПОС (|ч|<1).

Рис. 2. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний

Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем (ц_у) и звеном обратной связи (ц_ч) в сумме должны быть кратными 2:

ц_у+ц_ч=2n,

где п=0, 1, 2, 3, …

Данное соотношение определяет условие баланса фаз в усилителе с ПОС.

Второе условие определяется неравенством:

|К|·|ч|1.

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы эти два условия выполнялись только при одной частоте.

Физический смысл неравенства |К|·|ч|>1 заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в |К| раз и ослабленный звеном обратной связи в |ч| раз, при выполнении условия баланса фаз возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой. Равенство |К|·|ч|=1 соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы, когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления К усилителя из-за проявления нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигналов. В стационарном режиме сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала, создаваемого звеном обратной связи (условие баланса амплитуд).

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).

Условия для генерации синусоидальных колебаний (баланс фаз и баланс амплитуд) в LC-генераторах создаются для частоты настройки f₀ колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Предпосылкой выполнения соотношения баланса фаз для частоты f₀ служит изменение фазового сдвига ц_у, вносимого усилителем, при отклонении частоты от резонансной, т.к. сопротивление контура перестает быть активным и приобретает реактивный (индуктивный или емкостной) характер. Справедливость соотношения баланса амплитуд для резонансной частоты обусловливается максимальным значением коэффициента усиления на частоте f₀.

Схема генератора синусоидальных колебаний приведена на рис. 3. Его усилительный каскад выполнен на транзисторе ОЭ с известными элементами R₁, R₂, R_э, С_э, предназначенными для задания режима покоя и температурной стабилизации. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. В схеме однокаскадного усилителя с чисто активной нагрузкой выходной сигнал находится в противофазе с входным сигналом. В связи с этим для обеспечения условия баланса фаз звено ПОС на резонансной частоте должно осуществлять поворот на 180? фазы сигнала, передаваемого на вход усилителя.

Рис. 3. Схема генератора с трансформаторной обратной связью

В схеме генератора параметрами колебательного контура являются емкость конденсатора С и индуктивность L первичной обмотки w₁ трансформатора. Сигнал обратной связи снимается с вторичной обмотки w₂, индуктивно связанной с обмоткой w₁, и через разделительный конденсатор С_р1 подается на транзистор. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответствующим подключением выводов вторичной обмотки. Поскольку напряжение обратной связи меньше выходного напряжения, отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток w₁/w₂>1. транзисторный импульсный генератор колебание

Для обеспечения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы , где в - коэффициент передачи по току транзистора в точке покоя.

Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура: .

Размещено на Allbest.ru