Элементная база телекоммуникационных систем. Лабораторная работа №3. .Вариант №15

1 Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы

Тема: Изучение ключевых схем на биполярных транзисторах

Цель работы: 1. Изучить основные принципы работы ключевых схем (лекции 4 и 6).
2. Приобрести начальные навыки расчёта параметров элементов некоторых ключевых схем.


Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в следующем:
1. Изучение темы и цели лабораторной работы.
2. Изучить теоретический материал в объеме материала лекций и теоретического введения.
3. Требования к оформлению отчета (см. раздел 6).

Номер варианта для выполнения лабораторной работы должен выбирается по двум последним цифрам номера пароля. Варианты приведены в Приложении А.

2 Теоретическое введение

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств.
Простейший ключ на биполярном транзисторе показан на рис. 2.1.Резистор Rб в цепи базы служит для задания необходимого тока базы. Резистор Rк является внутренней нагрузкой ключа, а резистор Rн – его внешней нагрузкой. Величина внешней нагрузки может меняться в широких пределах. При RК= ∞ ключ работает в режиме холостого хода. Предельной нагрузкой, при которой ключ еще должен сохранять свои параметры, считают величину Rн = Rк.
Распространены ключевые схемы в цепях, управляемых электронными устройствами – цифровыми управляющими устройствами, микропроцессорными системами, в том числе в устройствах с импульсным регулированием или стабилизацией напряжения источников питания, потребляемой нагрузкой мощности. Назначение таких ключей – коммутация электрических цепей.
Рассмотрим статический (по постоянному току) и динамический режимы работы ключа:
Статический режим. В статическом режиме ключ может быть закрыт(транзистор находится в режиме отсечки) либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньше напряжения логического нуля 0 Uвх. Для ключей на кремниевых биполярных транзисторах оно составляет 0.4–0.5 В. В этом режиме IK = Iб = 0 Сопротивление закрытого ключа составляет сотни кОм. Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобы транзистор находился в режиме насыщения, то ток базы

. (2.1)

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и ток коллектора возрастает до наибольшего значения:
. (2.2)

Напряжение Uкэ в режиме насыщения составляет 0.2–0.3 В, а выходное сопротивление – несколько десятков Ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора:


Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы U1max. Для ключей на биполярных транзисторах U1max =2.7 - 5В. Передаточная характеристика ключа на БТ показана на рисунке 2.2.Рабочими являются участки переходной характеристики, соответствующие отсечке и насыщению.
3 Задание на выполнение лабораторной работы

В ходе выполнения лабораторной работы требуется:
1. Подобрать транзисторы и рассчитать параметры резисторов схем транзисторного ключа, приведенного на рисунке Б.6.
2. Собрав схему, приведенную на рисунке Б.6 с рассчитанными элементами, убедиться в работоспособности схемы.
3. Пользуясь рекомендациями пункта 4.3, исследовать передаточные характеристики рассчитанных ключевых схем.

4 Рекомендации к выполнению исследований

4.1 Расчет и испытание транзисторного ключа на n-p-n транзисторе

1. Выбрать параметры на расчёт ключевой схемы в соответствии с вариантом (Приложение А) - значения коммутируемых токов и напряжений ( , E2 соответственно), а также значение уровня логической «1» - E1max.
2. Выбрать марку транзистора из предлагаемого набора – КТ3102Е, KT3102D, КТ315A, 2N5551 – по следующим критериям:

, (4.1)

. (4.2)
Параметры UКЭmax и IKmax найти, используя ресурсы Интернета.

3. Рассчитать требуемый ток базы

, (4.3)
где h21оэ - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (выбрать максимальное значение из диапазона, приведенного в характеристиках транзистора).

4. Рассчитать номиналы резисторов по следующим выражениям

, (4.4)

. (4.5)
5. Для проверки рассчитанных значений выполнить измерения, используя виртуальный универсальный лабораторный стенд. Основные сведения работы на виртуальном стенде приведены в Приложении Б. Собрать схему, приведенную на рисунке Б.6 (Приложение Б) и измерить величины , , , при двух значениях управляющего источника и и зафиксировать их в таблицу 4.2. По измеренным значениям сделать вывод о состоянии ключа для обоих случаев (при каком E1 – открыт, при каком - закрыт) и записать его в «Примечаниях» таблицы 4.2.
6. Сравнить токи базы и коллектора в открытом состоянии с требуемыми - с , а с . Сделать вывод о соответствии техническому заданию (если отличия составляют более чем 5 %, то схема не выполняет заданные функции).
7. Вычислить указанные в таблице мощности (строки 5-8) по указанным там же выражениям. По вычисленным значениям сделать вывод об экономичности схемы.
4.2 Исследование входной и передаточной характеристик транзисторного ключа на n-p-n транзисторе

Для схемы рисунка Б.6 (Приложение Б) выполнить следующее:
1. Для источника E1 задать значения, указанные во втором столбце таблицы 4.5.
2. При каждом E1 измерить значения , , и вычислить . Зафиксировать результаты измерений и вычислений в таблицу.
3. По полученным результатам построить графики входной и передаточной характеристики. Определить порог переключения ключа .
5 Содержание отчёта

1. Тема и цель лабораторной работы.
2. Таблицы наблюдений (таблицы 4.1 – 4.3).
3. Графики статических входных и передаточных характеристик ключей.
4.  Экспериментальные значения входных пороговых напряжений переключения.
5. Передаточная характеристика транзисторного ключа.
6. Выводы по результатам проведенных исследований. Сделайте «экспертное» заключение о следующем:
- насколько «идеальны» схемы как ключи;
- насколько «идеальны» входные параметры ключа.

2020 год.