+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Электронные цепи и микросхемотехника. В 2 ч. Ч. 2. Импульсные цепи: практикум по лабораторным работам

Citation preview

В.И.  Чепелев, А.А.  Шевцов, М.В. Позднов

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА Практикум по лабораторным работам Часть  2. Импульсные цепи

Тольятти Издательство ТГУ 2012

Министерство образования и науки Российской Федерации Тольяттинский государственный университет Институт энергетики и электротехники Кафедра «Промышленная электроника»

В.И. Чепелев, А.А. Шевцов, М.В. Позднов

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА Практикум по лабораторным работам В двух частях Часть 2. Импульсные цепи

Тольятти Издательство ТГУ 2012

УДК 621.317(075.8) ББК 32.842 Ч44 Рецензенты: к.т.н., администратор проекта Рено-Ниссан ЗАО «Полад» Д.А. Яковлев; к.т.н., доцент Тольяттинского государственного университета В.П. Певчев.

Ч44 Чепелев, В.И. Электронные цепи и микросхемотехника. в 2 ч. Ч. 2. Импульсные цепи : практикум по лабораторным работам / В.И. Чепелев, А.А. Шевцов, М.В. Позднов. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. – 40 с. : обл.

В практикуме приведены описания шести лабораторных работ по разделу «Импульсные цепи» дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника»: лабораторные установки и исследуемые схемы, методики проведения экспериментов и рекомендации по выполнению работ. Практикум входит в методическое обеспечение дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника» направления подготовки бакалавров 210100.62 «Электроника и микроэлектроника», 210100.62 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.317(075.8) ББК 32.842

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

© ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2012

Введение Цикл лабораторных работ по разделу «Импульсные цепи» дисциплины «Электрические цепи и микросхемотехника» выполняется на специализированных стендах, содержащих аппаратуру, подключаемую к персональному компьютеру для диагностики и управления процессами в схеме. Перед выполнением работ на стенде необходимо ознакомиться с аппаратурой и принципами проведения исследований. Описание стенда приведено в методических указаниях [8]. Также необходимо изучить методы расчета исследуемой схемы по [9]. Последовательность выполнения лабораторных работ: • домашний аналитический расчет электрической схемы в соответствии с вариантом задания, выданным преподавателем, с последующим выбором параметров элементов схемы; • имитационное моделирование работы схемы, рассчитанной в системе MicroCap, с необходимой корректировкой элементов; • лабораторное исследование отлаженной в MicroCap схемы; • оформление отчета о результатах исследований; • письменный анализ работы, заключение.

3

Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРА С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ 1.1. Цель работы Целью работы является изучение схемы и исследование свойств триггера с эмиттерной связью (триггера Шмитта).

1.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно: • изучить схему триггера с эмиттерной связью и принцип его действия в качестве амплитудного дискриминатора и формирователя прямоугольных импульсов; • обратить внимание на пусковую и входную его характеристики и свойства, определяемые этими характеристиками.

1.3. Программа работы 1.3.1. Исследовать режим работы транзистора по постоянному току: 1) измерить напряжение на выводах транзисторов при отсутствии входных сигналов и оценить исходное состояние схемы; 2) изменить состояние триггера и оценить режимы работы транзисторов для второго состояния. 1.3.2. Исследовать свойства триггера как порогового элемента с двумя устойчивыми состояниями: 1) снять пусковую характеристику и оценить влияние внутреннего сопротивления источника сигналов и сопротивлений коллекторных нагрузок на работу триггера, а также оценить влияние ускоряющей емкости в схеме триггера на длительности фронтов выходных импульсов; 2) снять входную характеристику и определить критическую величину внутреннего сопротивления источника сигналов, при которой прекращается триггерный эффект.

1.4. Описание лабораторной установки Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 1.1. Исследуемый триггер выполнен на транзисторах VТ1 и VТ2 типа p-n-p (или n-p-n) и состоит из двух каскадов, имеющих общее

4

(или n-p-n) и состоит из двух каскадов, имеющих общее сопротивление R4 в цепи эмиттеров, за счет которого обеспечивается положительная обратная связь (ПОС). сопротивление R4 в цепи эмиттеров, за счет которого обеспечивается положительная обратная связь (ПОС).

Рис. 1.1. Принципиальная схема лабораторной установки Рис. 1.1. Принципиальная схема лабораторной установки

Связь между выходом первого каскада и входом второго осуществляется Связь между выходом первого каскада и входом второго осущестс помощью R6 и ускоряющего конденсатора С2. Конденсатовляется срезисторов помощьюR5, резисторов R5, R6 и ускоряющего конденсатора С2. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, резисторы С1 и С3 являются разделительными, резисторы R1 и R2 задают режим покоя ры R1 и R2 задают режим покоя транзистора VТ1, а резисторы R3 транзистора VТ1, а резисторы R3 и R7 – коллекторные нагрузки каскадов. и R7 – коллекторные нагрузки каскадов. Источником питания G4 является генератор напряжения Источником питания G4 является генератор напряжения ГН2.ГН2. Для снятия характеристик триггера при работе его в качестве амДля снятиядискриминатора характеристик триггера при работе его в качестве плитудного используются источники входныхамплитудсигналов ГТ и ГТ1. В этом случае необходимость в элементах С1, R1 В ного дискриминатора используются источники входных сигналов ГТ и ГТ1. и R2 отпадает и они убираются со сменной панели. Сигналы с ГТ1 этоми случае необходимость элементах С1, R1непосредственно и R2 отпадает и они ГТ подаются на базу втранзистора VТ1 илиубираются через дополнительный резистор, имитирующий внутреннее сопротивление со сменной панели. Сигналы с ГТ1 и ГТ подаются на базу транзистора VТ1 неисточника входных сигналов. посредственно или через дополнительный резистор, имитирующий внутреннее При исследовании триггера как формирователя прямоугольного напряжения в качестве источника входных сигналов используется сопротивление источника входных сигналов. компьютерный ГНЧ, управляемый программой PCLab2000 и подключаемый к входу 1. Измерение напряжений на выводах транзисторов, контроль формы напряжения и длительности фронтов осуществляются осциллог- 5 рафом. Величина входного тока при снятии входной характеристики измеряется мультиметром PA в режиме измерения постоянного тока, а величина входного напряжения задается в программе PCLab2000.

5

1.5. Указания к выполнению работы 1.5.1. Теоретическое исследование схемы При выполнении работы необходимо произвести предварительный расчет элементов схемы в соответствии с указанным вариантом задания по методике расчета элементов, приведенной в [9]. Параметры для расчета и моделирования приведены в прил. 1 [9]. Далее необходимо провести моделирование работы рассчитанного триггера Шмитта с помощью программы MicroCap, а затем собрать рассчитанную и смоделированную схему на модернизированном стенде «Луч 85». Схема, рассчитанная на транзисторах КТ315, приведена в качестве примера на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Принципиальная расчетная схема триггера Шмитта для транзисторов КТ315 Рис. 1.2. Принципиальная расчетная схема триггера Шмитта для транзисторов КТ315

1.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap 1.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров После проведения расчетов и выбора номинальных значений парезисторов и резисторов конденсаторов необходимо проверить правильность работы схераметров и конденсаторов необходимо проверить правильность работы схемы и измерить основные характеристики с помощью мы и измерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. программы MicroCap. Для этого необходимо: Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать схему триггера с выбран на поле программы MicroCap собрать схему триггера с выбранными ными номиналами; номиналами; • исследовать в режиме постоянного тока состояние транзисторов; и объяснить различие в расчетных, и про найти исследовать в режиме постоянного токатеоретических состояние транзисторов; граммных значениях напряжений для исходного режима, когда VT1 найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и программных значезакрыт, а VT2 открыт; ниях напряжений для исходного режима, когда VT1 закрыт, а VT2 открыт;

6 

на схеме триггера удалить резистор R2; убедиться, что схема

изменила свое состояние, зафиксировать новые значения напряжений на

• на схеме триггера удалить резистор R2; убедиться, что схема изменила свое состояние, зафиксировать новые значения напряжений на транзисторах; сравнить с расчетными, сделать выводы; при необходимости скорректировать номиналы. 1.5.3. Практическое исследование схемы триггера К пункту 1.3.1. На сменной панели стенда после анализа значений номиналов схемы преподавателем установить элементы исследуемого триггера. В качестве примера на рис. 1.2 приведены номиналы для установки транзисторов КТ315. Установить напряжение источника ГН2 равным ЕК = -15 В (+15 В при использовании транзисторов типа n-p-n). Подключить триггер к источнику питания G4 (ГН2). Измерить осциллографом или мультиметром при отсутствии входных сигналов напряжения на базах UБ1, UБ2, коллекторах UК1, UК2 и на сопротивлении обратной связи UR4. Найти напряжения UКЭ = UК – UR4; UБЭ = UБ – UR4 и определить по ним режимы работы транзисторов VТ1 и VТ2. Первое устойчивое состояние (VT1 закрыт, VT2 открыт) является исходным состоянием схемы. Второе устойчивое состояние (VT1 открыт, VT2 закрыт) можно получить, если снять с панели резистор R2 (можно снять R2 и R5). Измерить для второго состояния указанные выше напряжения и оценить режимы работы транзисторов. К пункту 1.3.2. Снять с панели элементы C1, R1 и R2. Подключить к базе VT1 выход функционального генератора (ГФ) G3, включенного в режим генерации треугольных импульсов. Задать напряжение в пределах 0…5,0 В (полярность выбрать в соответствии с типом транзисторов, триггер должен переключаться). Входы компьютерного осциллографа подключить к базе и коллектору VT1. Настроить масштабы по вертикальным осям так, чтобы получить устойчивое изображение обоих сигналов при включении и выключении триггера в пределах полного размера экрана. Развертку синхронизировать с входным напряжением, используя «вход синхронизации» осциллографа. Далее с помощью маркеров осциллографа произвести измерения: • уровня входного сигнала, при котором происходит переключение триггера из состояния низкого уровня в высокий и наоборот; • длительности нахождения триггера в состояниях с высоким и низким уровнем выходного напряжения; • длительности переднего и заднего фронтов импульсов.

7

Сохранить кривые пусковых характеристик в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt). Снять зависимость длительности выходных импульсов (выход 2) от величины сопротивления R3, определяющего величину напряжения нижнего порога срабатывания триггера. Результаты измерений занести в табл. 1.1. Величина R3 увеличивается с помощью ближайших доступных номиналов сопротивлений из набора резисторов. Таблица 1.1 Зависимость длительности выходного импульса от коллекторного сопротивления R3 R3, кОм tU, мкс

Включить последовательно с генератором (вместо C1) дополнительное сопротивление величиной 3…4 кОм. Последовательно увеличивать величину сопротивления доступными номиналами сопротивлений из набора резисторов, пока не прекратится срабатывание триггера. Результаты представить в виде табл. 1.2. Провести не менее 5–7 измерений. Таблица 1.2 Влияние входного сопротивления на параметры триггера R Uотп Ucр

По полученной таблице построить графики зависимости величины напряжений Uср срабатывания (высокий уровень напряжения на выходе) и отпускания Uотп (низкий уровень напряжения на выходе) от сопротивления источника сигнала. Проанализировать влияние величины выходного сопротивления R источника сигнала на формирование переходного процесса и сделать выводы. Исключить последовательное сопротивление источника сигнала, увеличить сопротивление коллектора R3 на 1…1,5 кОм, вновь провести измерения порогов переключения. Восстановить первоначальное значение R3, а R7 увеличить на 500…1000 Ом, провести измерения порогов переключения.

8

Сделать выводы о влиянии сопротивлений коллекторных цепей транзисторов VT1 и VT2 на пороги срабатывания триггера Шмитта. Сделатьс выводы о влиянии сопротивлений коллекторных выходных Замерить помощью осциллографа длительность фронтов tФ цепей транзисторов VT1 и VT2 на пороги срабатывания триггера Шмитта. импульсов с емкостью С2 и безосциллографа нее. Замерить с помощью длительность фронтов tФ выходных импульсов с емкостью С2 и без нее. Для всех случаев определить верхний и нижний пороги срабатывания Для всех случаев определить верхний и нижний пороги срабатытриггера, с теоретическими значениями, вычисляемыми по формуваниясравнить триггера,ихсравнить их с теоретическими значениями, вычисляелам: мыми по формулам:

U отп  U cp 

EK R4  U0; R3  R 4

EK R4  U0, R7  R 4

где U0 = (0,5 – 0,6) В – напряжение на эмиттерном переходе транзистора VТ1. где U0 = (0,5 – 0,6) В – напряжение на эмиттерном переходе транзисДляVТ1. снятия входной характеристики подключить к базе транзистора VТ1 тора Для снятия входной характеристики подключить к базе транзисисточник тока ГТ, мультиметр в режиме измерения тока и второй мультиметр в тора VТ1 источник тока ГТ, мультиметр в режиме измерения тока режиме измерения напряжения. Плавно изменяя входной ток, снятьизмевходную и второй мультиметр в режиме измерения напряжения. Плавно няя входной ток, снять входную характеристику триггера. Результаты характеристику триггера. Результаты занести в табл. 1.4. занести в табл. 1.3. Таблица Таблица 1.3 1.4 Входная характеристика триггера Входная характеристика триггера

UБ1, В

UБ1, В

IВХ, мА

IВХ, мА

Построить зависимость UБ1 полученный график график сс изПостроить зависимость UБ1ототIВХ IВХ. . Сравнить Сравнить полученный известными вольт-амперными характеристиками полупроводниковых вестными вольт-амперными характеристиками полупроводниковых устройств. устройств. Определить по характеристике напряжение Uср и Uотп в слу10 чае идеального генератора напряжения. Снять зависимость длительности выходных импульсов от величины сопротивления R3, определяющего величину напряжения нижнего порога срабатывания триггера. Результаты измерений занести в табл. 1.4. Величина R3 увеличивается приблизительно на 1 кОм исходя из имеющейся в наличии сетки номиналов сопротивлений.

9

Таблица 1.4 Зависимость времени импульса от сопротивления R3 R3, кОм tU, мкс

1.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − принципиальную электрическую схему установки; − расчетные выражения и результаты расчетов; − таблицы с экспериментальными данными; − распечатки осциллограмм напряжений, снятых при выполнении работы, и графические зависимости, построенные по экспериментальным результатам; − анализ результатов и краткие выводы. Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Что называется триггером Шмитта? 3. Зарисуйте схему триггера Шмитта. 4. Охарактеризуйте назначение элементов триггера. 5. Поясните принцип действия триггера. 6. Что обеспечивает устойчивые состояния триггера? 7. Что называется пусковой и выходной характеристиками триггера? 8. Почему внутреннее сопротивление источника входных сигналов влияет на работу триггера? 9. Назовите необходимое и достаточное условие возникновения триггерного эффекта. 10. Чем определяются нижний и верхний пороги срабатывания триггера? 11. Как проявляется ПОС при изменении состояний триггера? Пояснить механизм работы ПОС. 12. Как изменится длительность фронтов выходных импульсов при отсутствии ускоряющей емкости? 13. Чем можно изменить пороги срабатывания триггера при формировании импульсов прямоугольной формы?

10

Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА НА ТРАНЗИСТОРАХ 2.1. Цель работы Целью работы является изучение схемы и исследование свойств мультивибратора на биполярных транзисторах, работающего в автоколебательном режиме.

2.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно: • изучить схему мультивибратора на транзисторах и принцип его действия в автоколебательном режиме; • обратить внимание на условия работы транзисторов мультивибратора и ограничения параметров для нормальной работы данного вида мультивибраторов.

2.3. Программа работы 2.3.1. Снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу мультивибратора в автоколебательном режиме. 2.3.2. Снять зависимость периода повторения и длительности выходных импульсов от величины сопротивления в цепи базы. 2.3.3. Снять зависимость периода повторения, длительности импульса и длительности фронта выходных импульсов от величины времязадающей емкости. 2.3.4. Оценить влияние сопротивления коллекторной нагрузки на длительность фронта и форму выходных импульсов.

2.4. Описание лабораторной установки Принципиальная схема лабораторной установки для транзисторов типа p-n-p приведена на рис. 2.1. Объектом исследования является симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями, выполненный на транзисторах VТ1 и VТ2 типа p-n-p или n-p-n, выданных преподавателем. Схема мультивибратора содержит времязадающие емкости C2 и С3, сопротивления коллекторной нагрузки R1 и R4 и сопротивления R2 и R3 в цепях баз транзисторов.

11

времязадающие емкости C2 и С3, сопротивления коллекторной нагрузки R1 и R4 и сопротивления R2 и R3 в цепях баз транзисторов. Выходные с коллекторов транзисторов через раздеВыходныесигналы сигналыснимаются снимаются с коллекторов транзисторов через разделительные емкости С1 и С41(выходы 1 и 2). лительные емкости С1 и С4 (выходы и 2).

Рис. 2.1. Исследуемая схема мультивибратора Рис. 2.1. Исследуемая схема мультивибратора

В качестве источника питания используется генератор напряжения ГН2.

В качестве источника питания генератор напряжеПараметры сигналов (амплитуда, периодиспользуется повторения, длительность), их форма ния ГН2. Параметры сигналов (амплитуда, период повторения, длиизмеряются и контролируются с помощью осциллографа PG. тельность), их форма измеряются и контролируются с помощью осциллографа PG. 2.5. Указания к выполнению работы

2.5.1. Расчет элементов схемы Произвести расчет элементовксхемы в соответствии 2.5. Указания выполнению работыс методикой, приведенной2.5.1. в пособии по проведению практических и расчетных раРасчет«Руководство элементов схемы Произвести расчет элементов схемы в соответствии с методикой, бот по дисциплине «Электронные цепи». Расчетная схема с указанием номинаприведенной в [9]. Расчетная схема с указанием номиналов элеменловтов элементов предъявляется преподавателю для согласования. Схема мультипредъявляется преподавателю для согласования. Схема мультивибратора, рассчитанная транзисторов КТ361Г, приведена ниже. вибратора, рассчитанная для для транзисторов КТ361Г, приведена ниже. Далее Далее проводится моделирование работы рассчитанного мультивибратора с помощью программы MicroCap. 14

12

проводится моделирование работы рассчитанного мультивибратора с помощью программы MicroCap.

Рис. 2.2. Расчетная схема мультивибратора Рис. 2.2. Расчетная схема мультивибратора

2.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap

2.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap

После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров резисторов и конденсаторов необходимоправильность проверить правильрезисторов и конденсаторов необходимо проверить работы схеность работы схемы и замерить основные характеристики с помощью

мы и замерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. программы MicroCap. Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать схему мультивибратора с выбранными номиналами; на поле программы MicroCap собрать схему мультивибратора с вы• проверить работу в симметричном автогенераторном режиме; бранными• номиналами; выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с программой работы и рекомендациями к ее выполнению; проверить работу в симметричном автогенераторном режиме;  • найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и про выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с граммных значениях напряжений. Сравнить результаты с расчетными, сделать выводы; при необходимости скорректировать номиналы.

Для этого необходимо:

программой работы и рекомендациями к ее выполнению;

2.5.3. Практическое исследование мультивибратора найти и объяснить различие работы в расчетных, теоретических и проК пункту 2.3.1. На сменной панели установить элементы исследуеграммных напряжений. Сравнить результаты с расчетными, сделать мого значениях мультивибратора в соответствии с расчетной схемой. Установить напряжение источника G2номиналы. ЕК = -15 В (или +15 В в завыводы; при необходимости скорректировать висимости от типа транзистора) и подключить к нему мультивибратор. Убедиться в наличии на выходах схемы прямоугольных импульсов заданной частоты и амплитуды. При работы необходимости откорректировать исследование мультивибратора 2.5.3. Практическое номиналы элементов. К пункту 2.3.1. На сменной панели установить элементы исследуемого Снять осциллограммы напряжений на коллекторах и базах VT1, VT2, убедиться в симметричном режиме работы транзисторов. Сфамультивибратора в соответствии с расчетной схемой. зировать во времени осциллограммы напряжений на коллекторах

13

15

и базах транзисторов, используя оба луча и вход синхронизации осциллографа PG. Сохранить осциллограммы в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt). Для величин вычисленных значений исходных элементов рассчитать длительность импульса на выходе 2 период повторения

tU2 = 0,7 R2 C2,

Т = tU1 + tU2 = 0,7 (R3 C4 + R2 C2) и длительность фронта на выходе 2 tФ2 = 2,2 R4 C3. Сравнить результаты расчетов с экспериментальными данными. К пункту 2.3.2. Уменьшая значения сопротивления R2, последовательно выбирая ближайшие сопротивления по номиналам из прилагающихся, снять зависимость периода повторения и длительности импульсов с выхода 2 от величины этого сопротивления. Результаты измерений занести в табл. 2.1. Таблица 2.1 Влияние R2 на параметры импульсов мультивибратора R2, кОм Т, мс tU2, мс

К пункту 2.3.3. Установить на сменной панели исходное R2, изменять значения емкости С2 от исходного в сторону увеличения с минимальным шагом, занести данные в табл. 2.2. Определить зависимость периода повторения T, длительности tU2 импульса с выхода 2, а также зависимость длительности TФ1 фронта импульсов с выхода 1 от величины этой емкости. Результаты измерений занести в табл. 2.2. Таблица 2.2 Влияние С2 на параметры импульсов мультивибратора С2 (мкФ) Т (мс) tU2 (мс) tФ1 (мс)

14

К пункту 2.3.4. Установив на сменной панели исходные емкость С2 и R1, измерить длительность фронта импульсов на выходе 1. Увеличить R1 в два раза, вновь измерить длительность фронта импульсов на выходе 1. Сделать вывод о влиянии коллекторного сопротивления на длительность процессов в схеме мультивибратора. Установить на сменной панели переменное сопротивление R1 = 10 кОм. Изменяя это сопротивление, определить его значение, при котором транзистор VТ1 выходит из режима насыщения, а форма импульсов на выходе 1 становится не прямоугольной. По результатам измерений определить статический коэффициент усиления транзистора VТ1: β1 = R3 / R1*, где R1* – значение переменного сопротивления, измеренное мультиметром в режиме измерения сопротивлений, при котором транзистор VТ1 выходит из насыщения.

2.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − принципиальную схему лабораторной установки; − таблицы и другие экспериментальные данные в виде распечаток осциллограмм; − расчетные формулы и результаты расчетов; − графические зависимости, результаты расчетов; − анализ результатов и краткие выводы. Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Что называется мультивибратором? 3. Охарактеризуйте назначение элементов схемы мультивибратора. 4. Зарисуйте форму напряжений на базах и коллекторах транзисторов, сфазированные во времени. 5. Покажите цепи заряда и разряда времязадающих емкостей. 6. Зарисуйте схему мультивибратора. 7. Чем в работе измеряются параметры выходных импульсов? 8. От чего зависит длительность выходных импульсов мультивибратора? 9. Чем определяется длительность фронта и среза выходных импульсов? 10. Какие способы применяют для уменьшения длительности фронта выходных импульсов? 11. Как можно регулировать длительность выходных импульсов?

15

Лабораторная работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОВИБРАТОРА С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ 3.1. Цель работы Целью работы является изучение схемы и исследование свойств одновибратора, выполненного на биполярных транзисторах с эмиттерной связью между каскадами.

3.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно: • изучить схему одновибратора с эмиттерной связью; • разобрать назначение его элементов и принцип его действия; • обозначить условия нормальной работы; • обратить внимание на понятие времени восстановления и процессы, происходящие при этом.

3.3. Программа работы 3.3.1. Исследовать режимы работы транзисторов одновибратора по постоянному току: 1) измерить напряжения на выводах транзисторов при отсутствии запускающих импульсов и оценить исходное состояние схемы; 2) экспериментально проверить условие насыщения транзисторов одновибратора. 3.3.2. Исследовать работу одновибратора в режиме генерирования импульсов: 1) снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу одновибратора; 2) снять зависимость длительности выходных импульсов от величины сопротивления в цепи базы транзистора второго каскада; 3) снять зависимость длительности выходных импульсов и времени восстановления схемы от величины времязадающей емкости; 4) снять зависимость времени восстановления схемы от величины сопротивления коллекторной нагрузки первого каскада.

16

противления коллекторной нагрузки первого каскада. 3.4. Описание установки установки 3.4.лабораторной Описание лабораторной Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 3.1. Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальная схема одновибратора Рис. 3.1. Принципиальная схема одновибратора

Схема одновибратора собрана на транзисторах VТ1 VТ1 и VТ2 Схема одновибратора собрана на транзисторах и типа VТ2 p-n-p типа (или p-n-p (или n-p-n), задаваемых преподавателем. Схема одновибратоn-p-n), задаваемых преподавателем. Схема одновибратора состоит из двухкасра состоит из двухкаскадного усилителя переменного тока с общим кадного усилителя переменного тока собратной общим сопротивлением положительной сопротивлением положительной связи R4. Первый каскад выполнен на транзисторе VТ1, резисторах R1, R2, R3. Второй каскад обратной связи R4. Первый каскад выполнен на транзисторе VТ1, резистовключает транзистор VТ2, резисторы R5, R6, разделительный конденрах R1, R2, R3. Второй каскад включает транзистор VТ2, резисторы R5, R6, сатор С3. Связь между первым и вторым каскадами осуществляется через времязадающий конденсатор С2. разделительный конденсатор С3. Связь между первым и вторым каскадами Запускающие импульсы с ГНЧ подаются на вход 1 через разделиосуществляется времязадающий конденсаторс клеммы 2. С2. тельный С1,через выходные импульсы снимаются Для питания одновибратора используется напряжения Запускающие импульсы с ГНЧ подаются наисточник вход 1 через разделительГН2. Измерение параметров импульсов, контроль формы напряжений ный осуществляются С1, выходные импульсы снимаются с клеммы 2. осциллографом PG. Для питания одновибратора используется источник напряжения ГН2. ИзУказания к выполнению работы мерение параметров 3.5. импульсов, контроль формы напряжений осуществляются 3.5.1. Расчет осциллографом PG. элементов схемы Произвести расчет элементов схемы в соответствии с методикой, приведенной в [9]. Расчетная схема с указанием номиналов элементов предъявляется преподавателю для согласования. Далее проводится моделирование работы рассчитанного одновибратора с помощью программы MicroCap.

17

20

3.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров элементов необходимо проверить правильность работы схемы и замерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать схему триггера с выбранными номиналами; • проверить работу по постоянному току в исходном состоянии; • проверить работу в режиме внешнего запуска; • выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с программой работы и рекомендациями к ее выполнению; • найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и программных значениях напряжений; при необходимости скорректировать номиналы. 3.5.3. Практическое исследование работы одновибратора К пункту 3.3.1. На сменной панели установить элементы исследуеПодключить одновибратор к источнику питанияданными, G2 и установить напрямого одновибратора в соответствии с расчетными представленными в виде схемы электрической принципиальной (рис. 3.1). жение EК = -15 В (или +15 В в зависимости от типа транзисторов). Подключить одновибратор к источнику питания G2 и установить наИзмерить или с помощью мультиметра напряжения на пряжение EКосциллографом  = -15 В (или +15 В в зависимости от типа Подключить одновибратор к источнику питания G2транзисторов). и установить напряИзмерить осциллографом или с помощью мультиметра напряколлекторах транзисторов и UK2, базах от UБ1 и Uтранзисторов). Б2 относительно общего про(или +15 ВUтранзисторов вK1зависимости жение EК = -15 жения на В коллекторах UK1 типа и UK2, базах UБ1 и UБ2 отновода сительно иИзмерить напряжение на провода сопротивлении UR4. По результатам общего иили напряжение на связи сопротивлении обратной изосциллографом с обратной помощью мультиметра напряжения на связи UR4. По результатам измерений определить напряжения на транмерений определить напряжения на транзисторах VТ1 и VТ2 коллекторах зисторахтранзисторов VТ1 и VТ2 UK1 и UK2, базах UБ1 и UБ2 относительно общего проU КЭ  U K  U R4 вода и напряжение на сопротивлении обратной связи UR4. По результатам из-

и управляющее напряжение мерений определить напряжения и управляющее напряжение на транзисторах VТ1 и VТ2 U БЭ  U  U U U RR44 .. КЭ  U Б K

величине полученных напряжений оценить режимы транзиси управляющее напряжение ПоПо величине полученных напряжений оценить режимы транзисторов в торов в исходном состоянии. U БЭ  U Б  U R 4 . исходномСнять состоянии. с панели транзистор VТ2 и по напряжениям UK1, UБ1, UR4 определить режим работы транзистора Снять с панели транзистор VТ2 и по VT1. напряжениям UK1, Uтранзисторов Б1, UR4 опредеПо величине полученных напряжений оценить режимы в К пункту 3.3.2. Восстановить схему. Подключить к входу 1 однолить режим работы транзистора VT1. исходном состоянии. вибратора ГНЧ в режиме генерации прямоугольных импульсов, установить амплитуду входных импульсов, при которых кпроисходит устойК пункту 3.3.2. Восстановить схему. входу 1 одновибратоСнять с панели транзистор VТ2 и поПодключить напряжениям U K1, UБ1, UR4 опредечивая работа устройства. ра ГНЧ вСрежиме прямоугольных установить амплитуду лить режим работыгенерации транзистора VT1. помощью осциллографа PG снятьимпульсов, и сфазировать во времени осциллограммы напряжений UK1, UK2, Uустойчивая , UБ2, UR4.работа Для облегчения входных импульсов, которых происходит Б1 К пункту 3.3.2. при Восстановить схему. Подключить к входу 1устройства. одновибрато-

С впомощью осциллографа PG снять и импульсов, сфазироватьустановить во времениамплитуду осциллора ГНЧ режиме генерации прямоугольных 18 граммы напряжений UK1которых , UK2, UБ1происходит , UБ2, UR4. Для облегчения фазирования входных импульсов, при устойчивая работа устройства.кри-

фазирования кривых в точках схемы необходимо использовать вход синхронизации, на который подаются прямоугольные (входные) импульсы. Входные импульсы необходимо подавать с G1. Полученные осциллограммы сохранить в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt). С помощью маркеров измерить длительность фронтов импульсов коллекторных напряжений и их амплитуды. Последовательно увеличивая значения сопротивления R5 доступными номиналами, снять зависимость длительности выходных импульсов от величины этого сопротивления. Результаты измерений занести в табл. 3.1. Таблица 3.1 Влияние сопротивления R5 на длительность импульса R5 (кОм) tU (мсек)

Построить график зависимости длительности генерируемого импульса от величины R5. Восстановить на сменной панели исходное R5 и, увеличивая значения времязадающей емкости С2 также с доступным шагом, определить зависимость длительности выходных импульсов и времени восстановления схемы от величины этой емкости. Время восстановления определяется по длительности переходного процесса восстановления напряжения на коллекторе транзистора VТ1 до стабильного уровня. Результаты эксперимента отобразить на одном графике, распечатать и приложить к отчету. Построить графики зависимости длительности импульса и времени восстановления от величины С2. Установить на сменной панели исходное С2, увеличивать значение коллекторного сопротивления R3 с доступным шагом, построить графики зависимости времени восстановления схемы от величины этого сопротивления. Сравнить значения времени восстановления схемы и длительности импульса с исходными, заданными преподавателем, и объяснить причины их различия.

3.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − принципиальную схему лабораторной установки; − экспериментальные данные в виде распечатанных графиков;

19

− графические зависимости, построенные по экспериментальным данным и результатам расчетов; − анализ результатов и краткие выводы. Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Что называется одновибратором? 3. Зарисуйте схему одновибратора. 4. Покажите цепи заряда и разряда времязадающей емкости. 5. Какой параметр выходного импульса определяет разряд времязадающей емкости? 6. Что определяет заряд времязадающей емкости? 7. Как можно изменить длительность выходных импульсов? 8. Какое соотношение и почему должно выполняться между величинами коллекторных сопротивлений каскадов одновибратора? 9. Что произойдет, если период следования входных импульсов будет меньше суммы длительности выходного импульса и времени восстановления схемы? 10. Чем определяется длительность переднего и заднего фронтов выходных импульсов? 11. Зарисуйте форму напряжений на коллекторе и базе транзистора второго каскада. 12. Зарисуйте форму напряжения на сопротивлении обратной связи. 13. Зарисуйте форму напряжения на коллекторе транзистора первого каскада. 14. Поясните принцип работы одновибратора.

20

Лабораторная работа 4 ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРА СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 4.1. Цель работы Целью работы является изучение схемы и исследование свойств двухкаскадного RC-генератора синусоидального напряжения, определение условий его возбуждения и получение минимальных искажений входного сигнала.

4.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно изучить: • схему и принцип действия RC-генераторов синусоидального напряжения с обратными связями, в частности с мостом Вина; • требования к форме амплитудно- и фазочастотных характеристик, условия возникновения устойчивых колебаний.

4.3. Программа работы 4.3.1. Исследование работы генератора по постоянному току. Измерить постоянные напряжения на выводах транзисторов в режиме генерации и оценить исходное состояние схемы. 4.3.2. Исследование работы генератора по переменному току: 1) измерить частоты генерации и максимальные амплитуды неискаженного сигнала при включении различных элементов схемы в соответствии с методическим пособием либо заданным преподавателем; 2) снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина; 3) провести Фурье-анализ выходного сигнала генератора.

4.4. Описание лабораторной установки Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 4.1. Исследуемый RC-генератор выполнен на транзисторах VТ1 и VТ2 типа p-n-p (или n-p-n) и состоит из усилителя звуковой частоты с коэффициентом К и фазовым сдвигом φус и связывающей его выход со входом положительной обратной связи с коэффициентом передачи β и фазовым сдвигом φос. Для выделения единственной частоты, на которой должна происходить генерация синусоидального сигнала, использован мост Вина, состоящий из двух ветвей: одна содержит выделяющие

21

ния единственной частоты, на которой должна происходить генерация синусоидального сигнала, использован мост Вина, состоящий из двух ветвей: одна содержит выделяющие частоту элементы – это резисторы R1…R4 и емкости С1 частоту элементы – это резисторы R1…R4 и емкости С1 и С2, другая и С2,состоит другая из состоит из резисторов резисторов R7 и R8.R7 и R8.

Рис. 4.1. Принципиальная схема RC-генератора

..

Рис. 4.1. Принципиальная схема RC-генератора

Схема усилителя, каккак и схема обратной связи, может быть любой. В данСхема усилителя, и схема обратной связи, может быть любой. данной они выполнены на двухкаскадном транзисторном ной В работе ониработе выполнены на двухкаскадном транзисторном усилителе, собусилителе, собранном по схеме ОЭ, т. е. входной сигнал инвертируется ранном по схеме т. е. сигнал инвертируется на 360°. МостпоэВина на на 360°. МостОЭ, Вина навходной частоте генерации не дает фазового сдвига, тому на этой частоте ОС. частоте генерации не даетдействует фазовогоположительная сдвига, поэтому на этой частоте действует Через резистор R5 и делитель R3, R4 на транзистор VT1 подается положительная ОС. обеспечения режима возбуждения генератора и устасмещение для новления рабочейR5 точки на базе R3, транзистора. Резисторы R9–R12 обесЧерез резистор и делитель R4 на транзистор VT1 подается смещепечивают режим транзистора VT2, резистор R13 имитирует нагрузку ние для обеспечения второго каскада. режима возбуждения генератора и установления рабочей в схему обеспечивают введена петля режим отрицательточки наДля базестабилизации транзистора. амплитуды Резисторы R9–R12 транзистоной обратной связи (ООС) включением транзистора VT1 между точкара VT2, R13 имитирует нагрузку второго каскада. ми Арезистор и Б. Регулируется глубина ООС вращением движка переменного потенциометра R8. Источником питания является генератор напряжения G. 26 Измерение напряжений на выводах транзисторов, контроль формы напряжения и длительности фронтов осуществляется компьютерным осциллографом либо мультиметром PA в режиме измерения постоянного тока.

22

При выполнении работы необходимо произвести предварительный расчет элементов схемы для заданного преподавателем значения частоты (методика расчета приведена в 4.5. пособии «Руководство по проведению Указания к выполнению работы практических и расчетных 4.5.1. работ Теоретическое по дисциплине «Электронные цепи»), провести моделирование исследование схемы При выполнении работы необходимо произвести MicroCap, предварительработы рассчитанного генератора с помощью программы затем соный расчет элементов схемы для заданного преподавателем значения братьчастоты рассчитанную и отмоделированную на модернизированном стенде (методика расчета приведена всхему [9]), провести моделирование «Лучработы 87». рассчитанного генератора с помощью программы MicroCap, затем собрать рассчитанную и отмоделированную схему на модерниРасчетная схема транзисторов КТ315 показана ниже. зированном стендедля «Луч 87». Расчетная схема для транзисторов КТ315 показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Рис. 4.2. Расчетная Расчетнаясхема схемаRC-генератора RC-генератора

4.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров элементов необходимо проверить правильность работы схемы и замерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать схему генератора с выбранными номиналами; • проверить работу по постоянному току в исходном состоянии; • проверить работу в режиме внешнего запуска; • выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с программой работы и рекомендациями к ее выполнению; • найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и программных значениях напряжений; при необходимости скорректировать номиналы.

23

27

4.5.3. Практическое исследование схемы генератора К пункту 4.3.1. На сменной панели после анализа значений номиналов расcчитанной вами схемы преподавателем установить элементы исследуемого генератора. В качестве примера на рис. 4.2 приведены номиналы для случая установки транзисторов КТ315 при заданной частоте генерации 3 кГц. Установить напряжение источника ГН2 равным ЕК = -15 В (+15 В при использовании транзисторов типа n-p-n). Подключить генератор к источнику питания G (ГН2). Вращая ручку резистора R8, добиться возникновения генерации сигнала, искажения должны быть минимальными, незаметными по кривой выходного сигнала на осциллографе. Измерить осциллографом или мультиметром постоянные составляющие напряжений на базах UБ1, UБ2, коллекторах UК1, UК2, определить по ним режим работы транзисторов VТ1 и VТ2. К пункту 4.3.2. Измерить частоту генерации и максимальную амплитуду неискаженного сигнала при увеличении номинала резисторов моста Вина в 10 раз. Объяснить различие полученных теоретически и практически частот и амплитуд генерируемого сигнала. Измерить частоту генерации и максимальную амплитуду неискаженного сигнала при увеличении номинала конденсаторов моста Вина в 10 раз, установив первоначальные значения резисторов. Объяснить различие полученных теоретически и практически частот и амплитуд генерируемого сигнала. Полученные осциллограммы сохранить в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt). Сигнал выходного напряжения подвергнуть Фурье-разложению и построить спектральную характеристику выходного сигнала. По ней определить коэффициент гармоник выходного сигнала. Удалить с панели элементы С4, VT1. Подключить генератор и первый канал осциллографа к выходу 1, а второй – к гнезду базового вывода транзистора VT1 и, используя возможности осциллографической приставки в автоматическом режиме, снять амплитудно-частотную характеристику моста Вина.

4.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − принципиальную электрическую схему генератора; − расчетные выражения и результаты расчетов; − осциллограммы напряжений, снятых при выполнении работы; − анализ результатов и краткие выводы.

24

Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Зарисуйте схему генератора с мостом Вина. 3. Опишите назначение элементов генератора. 4. Поясните принцип действия генератора. 5. Как выполняют условия баланса фаз и амплитуд в исследуемом генераторе? 6. Каков должен быть коэффициент усиления напряжения в усилителе без обратной связи для установления режима генерации? 7. Во сколько раз надо изменить сопротивление резисторов R2 и R3, чтобы частота генерации увеличилась (уменьшилась) в 10 раз? 8. За счет чего стабилизируется амплитуда выходного сигнала генератора при включении вместо R8 термистора? 9. Как изменится форма выходного напряжения генератора при отключении конденсатора С2? 10. Предложите схему генерации сигнала с плавной регулировкой частоты.

25

Лабораторная работа 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ГЛИН) 5.1. Цель работы Целью работы является изучение схем и исследование свойств генераторов линейно изменяющегося напряжения.

5.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно: • изучить схему и принцип действия простейшего генератора линейно изменяющегося напряжения; • изучить схему и принцип действия генератора с компенсирующей ЭДС; • повторить основы переходных процессов в RC-цепях при коммутации на источник постоянного напряжения.

5.3. Программа работы 5.3.1. Исследование простейшего генератора линейно изменяющегося напряжения: 1) исследовать режим работы транзистора по постоянному току; 2) снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу генератора; 3) снять зависимость амплитуды выходного напряжения и токов заряда конденсатора в начале и конце заряда от величины зарядного сопротивления; 4) снять зависимость амплитуды выходного напряжения генератора от величины емкости зарядного конденсатора. 5.3.2. Исследование генератора линейно изменяющегося напряжения с компенсирующей ЭДС: 1) снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу генератора; 2) снять зависимость длительности выходного линейно изменяющегося напряжения от величины зарядного сопротивления; 3) снять зависимость длительности выходного линейно изменяющегося напряжения от величины емкости зарядного конденсатора; 4) определить основные показатели выходного напряжения генератора с компенсирующей ЭДС.

26

5.4. Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки с транзи5.4. Описание лабораторной установки сторами типа p-n-p приведена на рис. 5.1. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки с транзисторами типа p-n-p приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Принципиальная схема лабораторной установки Рис. 5.1. Принципиальная схема лабораторной установки

Исследуемые генераторы собираются нана основе общей Исследуемые генераторы собираются основе общейсхемы схемыпутем пу- подтем подключения или отключения конденсатора обратной связи С3 и диода VD. отключении конденсатора С3 закорачивании VD ПриПри отключении конденсатора С3 ии закорачивании VD получаем получаем пропростейший генератор линейно изменяющегося напряжения, котостейший напряжения, который VT1. состоит из рыйгенератор состоит излинейно заряднойизменяющегося цепи R2C2 и разрядного транзистора Полученное напряжение имееттранзистора экспоненциальный характер, но на зарядной цепи R2C2 и разрядного VT1. Полученное напряжение начальном участке можно считать его линейным. Для управления имеет транзистором экспоненциальный характер, новна начальном участке можно считать его используется ГНЧ качестве источника отрицательных импульсов G1. линейным. Для управления транзистором используется ГНЧ в качестве источСигналы с выхода этого источника через разделительный конденника отрицательных импульсов сатор С1 поступают на базуG1. транзистора VТ1. В промежутках времени, когда входной импульс отсутствует, благодаря резистору R1 к его базе 32 приложен большой потенциал и он открыт. Напряжение конденсатора С2 поступает на вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VТ2 и резисторе R3, который обеспечивает согласование генератора с нагрузкой. Подключение конденсатора С3 совместно с отсекающим диодом VD1 позволяет реализовать схему генератора с компенсирующей ЭДС в цепи обратной связи. В качестве компенсирующей ЭДС в данном случае используется напряжение, снимаемое с выхода эмиттерного повторителя. Схема генерирует практически линейное напряжение, если величина С3 >> С2.

ключения или отключения конденсатора обратной связи С3 и диода VD.

27

Источник напряжения ГН2 используется как источник питания генераторов. Измерение параметров выходного напряжения, снятие осциллограмм производится осциллографом PG.

5.5. Указания к выполнению работы 5.5.1. Расчет элементов схемы Произвести расчет элементов схемы в соответствии с методикой, приведенной в [9], для указанного преподавателем типа транзисторов. Расчетная схема с указанием номиналов элементов предъявляется преподавателю для согласования. Далее проводится моделирование работы рассчитанного ГЛИН с помощью программы MicroCap. 5.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров элементов необходимо проверить правильность работы схемы и замерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать обе схемы ГЛИН с выбранными номиналами; • проверить работу по постоянному току в исходном состоянии; • проверить работу в режиме внешнего запуска; • выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с программой работы и рекомендациями к ее выполнению; • найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и программных значениях напряжений; при необходимости скорректировать номиналы. 5.5.3. Практическое исследование работы ГЛИН К пункту 5.3.1. На сменной панели установить элементы исследуемого ГЛИН в соответствии с расчетными данными, представленными в виде схемы электрической принципиальной (рис. 5.2) (транзисторы типа n-p-n).

28

ГЛИН в соответствии с расчетными данными, представленными в виде схемы электрической принципиальной (рис. 5.2) (транзисторы типа n-p-n).

Рис. 5.2. Расчетная схема ГЛИН Рис. 5.2. Расчетная схема ГЛИН

Подключить схему к источнику питания G2 и установить напряжение Подключить схему к источнику питания G2 и установить напряГН2 ЕК = +15 В (илитранзисторах -15 В при транзисторах p-n-p). В (или -15 В при p-n-p). ГН2 жение ЕК = +15 Снять со сменной панели С3, а диод VD заменить перемычкой. Снять со сменной панели С3, а диод VD заменитьиперемычкой. Измерить напряжение на базах транзисторов на выходе 2. Оценить по этим напряжениям исходное состояниеи схемы и режимы ра- по Измерить напряжение на базах транзисторов на выходе 2. Оценить боты транзисторов. этим напряжениям исходное состояние схемыи иустановить режимы работы Подключить к входу 1 генератор G1 периодтранзисторов. повторения и длительность запускающих импульсов такими, при которых амплитуда линейно изменяющегося напряжения составляет (0,8…0,9) ЕК, а конденсатор С2 успевает разрядиться до нуля. Снять и сфазировать 34 по времени осциллограммы напряжений на базе транзистора VТ2, на конденсаторе С2 и на выходе 2. Для облегчения фазирования кривых в точках схемы можно использовать вход синхронизации, на который подаются импульсы с генератора, можно также синхронизировать осциллограммы по одному из каналов осциллографа, к которому подключен генератор G1. Все осциллограммы сохранить в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt). Изменяя значения сопротивления R2 от величины R2 = 10 кОм в сторону увеличения и уменьшения в пределах 2…10 кОм в количестве 3…5 значений в каждую сторону, снять и сохранить осциллограммы зависимости скорости нарастания выходного напряжения от величины этого сопротивления. Период повторения импульсов генератора устанавливать так, чтобы максимум амплитуды пилообразного напряжения был одинаков во всех экспериментах. Сделать вывод о влиянии величины R2 на форму и параметры выходного напряжения. При оформлении графики совместить на одном рисунке. По графикам приближенно определить постоянные времени заряда емкости для каждого эксперимента.

29

Установить на сменной панели резистор R2 = 10 кОм и, изменяя значения емкости С2 в строну увеличения для 3…5 значений, снять зависимость скорости нарастания выходного напряжения от величины этой емкости и сохранить осциллограммы в файлах. Период повторения импульсов генератора устанавливать так, чтобы максимум амплитуды пилообразного напряжения был одинаков во всех экспериментах. Сделать вывод о влиянии величины С2 на форму и параметры выходного напряжения. При оформлении графики совместить на одном рисунке. По графикам приближенно определить постоянные времени заряда емкости для каждого эксперимента. К пункту 5.3.2. Подключить ко входу 1 G1, настроенный на работу в режиме генератора прямоугольных импульсов, и установить период повторения и длительность запускающих импульсов такими, при которых амплитуда выходного линейно изменяющегося напряжения составляет UM = (0,8–0,9) ЕК, а конденсатор С2 успевает разряжаться до нуля. Полярность импульсов генератора должна закрывать транзистор VT1 и зависит от типа проводимости транзисторов. Снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений на базе транзистора VТ1, на конденсаторе С2 и на выходе 2. Изменяя значения сопротивления R2 от величины R2 = 10 кОм в сторону увеличения и уменьшения в пределах ближайших номиналов в количестве 3…5 значений в каждую сторону, снять и сохранить осциллограммы зависимости скорости нарастания выходного напряжения от величины этого сопротивления. Период повторения импульсов генератора устанавливать так, чтобы максимум амплитуды пилообразного напряжения был одинаков во всех экспериментах. При оформлении графики совместить на одном рисунке. Сделать вывод о влиянии величины R2 на форму и параметры выходного напряжения. Установить на сменной панели резистор R2 = 10 кОм и, изменяя значения емкости С2 в сторону увеличения для 3…5 значений, снять зависимость скорости нарастания выходного напряжения от величины этой емкости. Сохранить осциллограммы в файле изображения (bmp) и файле цифровых данных (txt), совместить на одном графике и распечатать. Период повторения импульсов генератора устанавливать так, чтобы максимум амплитуды пилообразного напряжения был одинаков во всех экспериментах. Сделать вывод о влиянии величины С2 на форму и параметры выходного напряжения.

5.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − принципиальную электрическую схему ГЛИН;

30

− расчетные формулы и результаты расчетов; − графические зависимости и осциллограммы напряжений, полученные в результате экспериментов; − краткий анализ результатов. Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Опишите принцип действия генератора линейно изменяющегося напряжения. 3. Что такое коэффициент нелинейности выходного напряжения? 4. Что называется коэффициентом использования напряжения источника питания? 5. Как эти коэффициенты связаны между собой для простейшего генератора? 6. Опишите принцип работы простейшего генератора линейно изменяющегося напряжения. 7. Каково назначение элементов схем генератора? 8. Зарисуйте простейшую схему генератора. 9. Как можно уменьшить нелинейность выходного напряжения простейшего генератора? 10. В чем достоинства генератора с компенсационной ЭДС? 11. Каков принцип действия генератора с компенсационной ЭДС? 12. Зарисуйте схему генератора с компенсационной ЭДС. 13. Что такое время восстановления схемы? 14. Сфазируйте во времени осциллограммы напряжения на входе и выходе генератора. 15. Какие требования предъявляются к длительности и периоду повторения запускающих импульсов?

31

Лабораторная работа 6 ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРА 6.1. Цель работы Целью работы является изучение схемы и исследование свойств блокинг-генератора с времязадающим конденсатором и фазоинверсным выходом.

6.2. Перечень задач для выполнения работы Для выполнения работы необходимо предварительно: • изучить схему и принцип работы блокинг-генератора в автономном режиме; • изучить схему и принцип работы блокинг-генератора в ждущем режиме; • изучить схему и принцип работы фазоинверсного каскада.

6.3. Программа работы 6.3.1. Исследовать работу блокинг-генератора в автономном режиме: 1) снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу блокинг-генератора; 2) снять зависимость периода повторения и длительности выходных импульсов от величины времязадающей емкости; 3) снять зависимость периода повторения выходных импульсов от величины сопротивления в цепи базы; 4) снять зависимость периода повторения выходных импульсов от величины напряжения смещения. 6.3.2. Исследовать работу блокинг-генератора в ждущем режиме: 1) снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений, характеризующих работу блокинг-генератора; 2) снять зависимость времени восстановления от величины сопротивления в цепи базы.

6.4. Описание лабораторной установки Принципиальная схема блокинг-генератора представлена на рис. 6.1.

32

6.4. Описание лабораторной установки

Принципиальная схема блокинг-генератора представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Принципиальная исходная схема блокинг-генератора Рис. 6.1. Принципиальная исходная схема блокинг-генератора

Исследуемое устройство состоит из собственно блокинг-генератора, выИсследуемое устройство состоит из собственно блокинг-генератополненного на транзисторе VТ1, и фазоинверсного каскада на транзисторе ра, выполненного на транзисторе VТ1, и фазоинверсного каскада наVТ2, транзисторе VТ2, предназначенного для получения разнополярных предназначенного для получения разнополярных выходных импульсов. выходных импульсов. В качестве элемента, обеспечивающего положительную обратную связь, В качестве элемента, обеспечивающего положительную обратную связь, в блокинг-генераторе используется трансформатор ТV1. Конв блокинг-генераторе используется трансформатор ТV1. Конденсатор С2 являденсатор С2 является времязадающим, резистор R1 ограничивает ток ется через времязадающим, резистор R1Диод ограничивает токпервичную через источник источник смещения G2. VD1 шунтирует обмотку трансформатора ТV1 и ограничивает перенапряжения на колсмещения G2. Диод VD1 шунтирует первичную обмотку трансформатора ТV1 лекторе транзистора VT1 при его запирании. Конденсатор С1 являети ограничивает перенапряжения на коллекторе транзистора VT1 при его ся разделительным, он разделяет по постоянной составляющей входзапиблокинг-генератора и ГНЧ с прямоугольными импульсами на выходе, рании. Конденсатор С1 является разделительным, он разделяет по постоянной используемый в качестве источника G1 запускающих сигналов при составляющей вход ждущего блокинг-генератора и ГНЧ с прямоугольными импульсами исследовании режима. Нагрузкой блокинг-генератора является фазоинверсный каскад. Сигнал с коллектора транзистора VT1 на выходе, используемый в качестве источника G1 запускающих сигналов при через резистивно-емкостный делитель С3, R2 и R3 поступает на вход исследовании ждущего режима. имеет Нагрузкой блокинг-генератора являетсяR5фазотранзистора VT2, который нагрузочные сопротивления R4, в цепях коллектора и эмиттера. Это позволяет получить с выходов 3 инверсный каскад. Сигнал с коллектора транзистора VT1 через резистивнои 4 сигналы противоположной полярности. На выходе 3 формируется емкостный делитель С3,импульс, R2 и R3 апоступает на вход транзистора VT2, который инвертированный на выходе 4 форма импульса повторяет напряжение на коллекторе транзистора VT1. Конденсаторы С4 и С5 Это имеет нагрузочные сопротивления R4, R5 в цепях коллектора и эмиттера. выполняют функции разделительных. позволяетВ получить с выходов 3питания G3 и 4 сигналыиспользуется противоположной полярности. качестве источника генератор напря- На жения ГН2. выходе 3 формируется инвертированный импульс, а на выходе 4 форма имИзмерение параметров импульсов, контроль за формой напряже39 ний осуществляется осциллографом PG.

33

6.5. Указания к выполнению работы 6.5.1. Расчет элементов схемы Произвести расчет элементов схемы в соответствии с методикой, приведенной в [9]. Расчетная схема с указанием номиналов элементов предъявляется преподавателю для согласования. Далее проводится моделирование работы рассчитанного блокинг-генератора с помощью программы MicroCap. 6.5.2. Исследование схемы в программе MicroCap После проведения расчетов и выбора номинальных значений параметров элементов необходимо проверить правильность работы схемы и замерить основные характеристики с помощью программы MicroCap. Для этого необходимо: • на поле программы MicroCap собрать схему блокинг-генератора с выбранными номиналами; • проверить работу в автогенераторном режиме; • проверить работу в режиме внешнего запуска; • выполнить виртуальные эксперименты со схемой в соответствии с программой работы и рекомендациями к ее выполнению; • найти и объяснить различие в расчетных, теоретических и программных значениях напряжений; при необходимости скорректировать номиналы. 6.5.3. Практическое исследование работы одновибратора К пункту 6.3.1. На сменной панели установить элементы исследуемого блокинг-генератора в соответствии с расчетными данными, представленными в виде схемы электрической принципиальной (рис. 6.2). Подключить исследуемое устройство к источнику питания G3 и установить напряжение ГН2 ЕК = -15 В (или +15 В для транзисторов типа n-p-n). Соединить резистор R1 с источником смещения G2 и установить напряжение ГН1 Е0 = -3 В (+3 В) для обеспечения режима автогенерации. С помощью осциллографа убедиться в нормальной работе блокинг-генератора. При отсутствии выходных импульсов необходимо поменять местами выводы обмотки обратной связи или первичной обмотки трансформатора Т1 либо увеличить напряжение ГН1.

34

блокинг-генератора в соответствии с расчетными данными, представленными в виде схемы электрической принципиальной (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Расчетная принципиальная схема блокинг-генератора Рис. 6.2. Расчетная принципиальная схема блокинг-генератора для транзисторов КТ3107 для транзисторов КТ3107

Снять осциллограммы базах UБ1 ипитания UБ2, наG3 коллекПодключить исследуемое напряжений устройство кнаисточнику и устаноторах UК1 и UК2, на эмиттере транзистора VТ2 – UЭ2 и записать в файвить напряжение ГН2 ЕК = -15 В (или +15 В для транзисторов типа n-p-n). Солы изображения (bmp) и файлы цифровых данных (txt). Сфазировать полученные времени на осциллографа, сов- ГН1 единить резисторосциллограммы R1 с источникомвосмещения G2экране и установить напряжение местив их по синхроимпульсу. Е0 = -3 В (+3 В) для обеспечения режима автогенерации. Изменить значения емкости С2 на 2…3 ближайших к расчетному номиналу в сторону увеличения и уменьшения, измеритьработе средствами С помощью осциллографа убедиться в нормальной блокингкомпьютерного осциллографа и сохранить в памяти результаты. Опгенератора. При отсутствии выходных импульсов необходимо поменять местаределить зависимость изменения периода повторения и длительности выходных импульсов от величины емкости. Построить графики. Т1 ми выводы обмотки обратной связи илиэтой первичной обмотки трансформатора Установить на сменной панели емкость С2 = 0,022 мкФ. Не измелибо няя увеличить напряжение ГН1. значение напряжения ГН1, изменять указанное на схеме значение сопротивления R1 на 2…3 шага сеткина номиналов в сторону UК1 и UБ2, на коллекторах Снять осциллограммы напряжений базах UБ1 резисторов уменьшения и увеличения, определить зависимость периода повтореи UК2ния , навыходных эмиттере импульсов транзистора – UЭ2 этого и записать в файлы изображения от VТ2 величины сопротивления. Результаты сохранить в памяти. Построить график зависимости параметров (bmp) и файлы цифровых данных (txt). Сфазировать полученные осциллограмимпульсов от величины R1. мы во времени на экране осциллографа, их по синхроимпульсу. Установить на сменной панелисовместив сопротивление R1 = 15 кОм. Изменяя напряжение Е0 источника смещения ГН1, снять зависимость периода повторения выходных импульсов от величины напряжения 41 смещения. Результаты сохранить в памяти. Построить график зависимости параметров импульсов от величины R1, по осциллограмме напряжения на базе транзистора VT1 определить зависимость времени восстановления схемы от величины сопротивления R1.

35

При номиналах элементов из любого предыдущего пункта зафиксировать в памяти форму напряжения на коллекторе VT1. Снять с панели диод VD и зафиксировать вновь это же напряжение. Сделать выводы о назначении VD. К пункту 6.3.2. Изменить полярность напряжения источника смещения G2 и установить E0 ≈ 2 В. Подключить к входу 1 ГНЧ и, регулируя амплитуду и частоту запускающих импульсов, добиться устойчивой работы блокинг-генератора. Период повторения запускающих импульсов ТЗ должен быть больше времени восстановления схемы – времени перезаряда конденсатора С2 до напряжения смешения. Снять и сфазировать во времени осциллограммы напряжений на базе UБ1 и коллекторе UК1 транзистора VT1, сравнить их с осциллограммами в автоколебательном режиме работы.

6.6. Содержание отчета Отчет о лабораторной работе должен содержать: − цель и программу работы; − расчетную принципиальную электрическую схему блокинггенератора; − распечатки графических зависимостей и осциллограмм, построенных по результатам эксперимента; − краткий анализ результатов. Вопросы для самоконтроля 1. Поясните цель и программу работы. 2. Что называется блокинг-генератором? 3. Какие функции выполняет фазоинверсный каскад? 4. Опишите схему блокинг-генератора, назначение элементов схемы. 5. Объясните схему фазоинверсного каскада, назначение элементов схемы. 6. Покажите цепь заряда и разряда времязадающего конденсатора блокинг-генератора. 7. Какие параметры выходного импульса определяют процесс заряда времязадающего конденсатора? 8. Чем отличается ждущий режим работы от автоколебательного? 9. Что такое время восстановления схемы? 10. По памяти зарисуйте и сфазируйте во времени форму напряжений на базе и коллекторе блокинг-генератора. 11. Зарисуйте и сфазируйте во времени входные и выходные напряжения фазоинверсного каскада.

36

12. Чем определяются длительности фронтов выходных импульсов блокинг-генератора? 13. От чего зависит спад вершины выходного импульса блокинггенератора? 14. Чем определяется максимальная частота запускающих импульсов в ждущем режиме? 15. Каким образом можно регулировать период повторения выходных импульсов в автоколебательном режиме? 16. Для чего необходимо напряжение смещения в автоколебательном и ждущем режимах?

37

Библиографический список 1. Забродин, Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С. Забродин. – М. : Высш. шк., 1982. – 496 с. 2. Гусев, В.Г. Электроника : учеб. пособие для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 1991. – 622 с. 3. Цикина, А.В. Электронные усилители / А.В. Цикина. – М. : Радио и связь, 1982. – 288 с. 4. Быстров, Ю.А. Электронные цепи и устройства : учеб. пособие для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства», «Промышленная электроника» / Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко. – М. : Высш. шк., 1989. – 287 с. 5. Белов, А.Г. Электроника и микроэлектроника : учеб. пособие для вузов / Г.А. Белов. – 2-е изд., испр. – Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2001. – 377 с. 6. Воробьев, Н.И. Проектирование электронных устройств : учеб. пособие / Н.И. Воробьев. – М. : Высш. шк., 1989. – 223 с. 7. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника : учеб. для вузов / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 4-е изд., доп. – М. : Высш. шк., 2006. – 798 с. 8. Шевцов, А.А. Лабораторный стенд. Описание и эксплуатация : метод. указания / А.А. Шевцов, В.М. Чепелев, К.Х. Узбеков. – Тольятти : ТГУ, 2010. – 40 с. 9. Чепелев, В.И. Импульсные устройства : практикум для проведения практических и расчетных работ по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника» / В.И. Чепелев, А.А. Шевцов, М.В. Позднов. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. – 31 с.

38

СОДЕРЖАНИЕ Введение ………………………………………………………………………………..3 Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРА С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ ………4 Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА НА ТРАНЗИСТОРАХ ….11 Лабораторная работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОВИБРАТОРА С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ …………………………………………………….16 Лабораторная работа 4 ИССЛЕДОВАНИЕ RC-ГЕНЕРАТОРА СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ …………………………………..21 Лабораторная работа 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ГЛИН) …….26 Лабораторная работа 6 ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРА ……………………………32 Библиографический список ………………………………………..38

39

Учебное издание

Чепелев Владимир Иванович Шевцов Александр Александрович Позднов Максим Владимирович

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА Практикум по лабораторным работам В двух частях Часть 2. Импульсные цепи

Редактор Т.Д. Савенкова Технический редактор З.М. Малявина Компьютерная верстка: И.И. Шишкина Дизайн обложки: И.И. Шишкина

Подписано в печать 04.05.2012. Формат 60×84/16. Печать оперативная. Усл. п. л. 2,33. Тираж 50 экз. Заказ № 1-57-11. Издательство Тольяттинского государственного университета 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Схема мультивибратора с регулировкой частоты. Подборка простых и эффективных схем

Здравствуйте дорогие друзья и все читатели моего блога сайт. Сегодняшний пост будет о простом но интересном устройстве. Сегодня мы рассмотрим, изучим и соберем светодиодную мигалку, в основе которой лежит простой генератор прямоугольных импульсов — мультивибратор.

Заходя на свой бложик, мне всегда хочется сделать что-нибудь эдакое, что-то такое, что сделает сайт запоминающимся. Так что представляю вашему вниманию новую «секретную страницу» на блоге.

Эта страница отныне носит название — «Это интересно».

Вы наверное спросите: «Как же ее найти?» А очень просто!

Вы наверное заметили, что на блоге появился некий отслаивающийся уголок с надписью «Скорей сюда».


Причем стоит только подвести курсор мыши к этой надписи, как уголок начинает еще больше отслаиваться, обнажая надпись — ссылку «Это интересно».


Ведет на секретную страницу, где вас ждет небольшой, но приятный сюрприз — подготовленный мной подарок. Более того, в дальнейшем на этой странице будут размещаться полезные материалы, радиолюбительский софт и что-нибудь еще — пока еще не придумал. Так что, периодически заглядывайте за уголок — вдруг я что-то там припрятал.

Ладно, немножко отвлекся, теперь продолжим…

Вообще схем мультивибраторов существует много, но наиболее популярная и обсуждаемая это схема нестабильного симметричного мультивибратора. Обычно ее изображают таким образом.


Вот к примеру эту мультивибраторную мигалку я спаял гдето год назад из подручных деталек и как видите — мигает. Мигает несмотря на корявый монтаж, выполненный на макетной плате.

Эта схема рабочая и неприхотливая. Нужно лишь определиться как же она работает?

Принцип работы мультивибратора

Если собрать эту схемку на макетной плате и замерить напряжение мультиметром между эмиттером и коллектором, то что мы увидим? Мы увидим, что напряжение на транзисторе то поднимается почти до напряжения источника питания, то падает до нуля. Это говорит о том, что транзисторы в этой схеме работают в ключевом режиме. Замечу, что когда один транзистор открыт, второй обязательно закрыт.

Переключение транзисторов происходит следующим образом.

Когда один транзистор открыт, допустим VT1, происходит разрядка конденсатора C1. Конденсатор С2 — напротив спокойно заряжается базовым током через R4.

Конденсатор C1 в процессе разрядки держит базу транзистора VT2 под отрицательным напряжением — запирает его. Дальнейшая разрядка доводит конденсатор C1 до нуля и далее заряжает его в другую сторону.

Теперь напряжение на базе VT2 возрастает открывая его.Теперь уже конденсатор C2, некогда заряженный, подвергается разрядке. Транзистор VT1 оказывается запертым отрицательным напряжением на базе.

И вся эта свистопляска продолжается по в режиме нон стоп, пока питание не вырубишь.

Мультивибратор в своем исполнении

Сделав однажды мультивибраторную мигалку на макетке, мне захотелось ее немножко облагородить — сделать нормальную печатную плату для мультивибратора и заодно сделать платку для светодиодной индикации. Разрабатывал я их в программе Eagle CAD, которая не намного сложнее Sprintlayout но зато имеет жесткую привязку к схеме.


Печатная плата мультивибратора слева. Схема электрическая справа.


Печатная плата. Схема электрическая.

Рисунки печатной платы с помощью лазерного принтера я распечатал на фотобумаге. Затем в полном соответствии с народной вытравил платки. В итоге после напайки деталей получились вот такие платки.

Честно говоря, после полного монтажа и подключения питания случился небольшой баг. Набранный из светодиодов знак плюса не перемигивал. Он просто и ровно горел будто мультивибратора и нет вовсе.

Пришлось изрядно понервничать. Замена четырехконечного индикатора на два светодиода исправляло ситуацию, но стоило вернуть все на свои места — мигалка не мигала.

Оказалось, что два светодиодных плеча сомкнуты перемычкой, видимо когда залуживал платку немного переборщил с припоем. В итоге светодиодные «плечики» горели не по переменке а синхронно. Ну ничего, несколько движений паяльником исправили ситуацию.

Результат того, что получилось я запечатлел на видео:

По моему получилось не плохо. Кстати оставляю ссылки на схемы и платы — пользуйтесь на здоровье.

Плата и схема мультивибратора.

Плата и схема индикатора «Плюс».

Вообще применение мультивибраторов разнообразно. Они годятся не только для простеньких светодиодных мигалок. Поигравшись с номиналами резисторов и конденсаторов, можно выводить на динамик сигналы звуковой частоты. Везде где может понадобиться простой генератор импульсов мультивибратор подойдет однозначно.

Вроде все что планировал я рассказал. Если чтото упустил то пишите в комментариях — добавлю что нужно, а что не нужно — исправлю. Комментариям я всегда рад!

Новые статьи я пишу спонтанно и не по расписанию и поэтому предлагаю подписаться на обновления по RSS или по E-mail. Тогда новые статьи будут приходить прямо на ваш почтовый ящик или прямиком в RSS-ридер.

На этом у меня все. Желаю всем успехов и хорошего весеннего настроения!

С уважением, Владимир Васильев.

Также дорогие друзья вы можете подписаться на обновления сайта и получать новые материалы и подарки прямо себе в почтовый ящик. Для этого достаточно заполнить форму ниже.

Электронные генераторы: мультивибратор. Назначение, принцип действия, применение.

Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным усилителем на резисторах с положительной обратной связью, в котором выход каждого каскада соединен со входом другого. Само название «мультивибратор» происходит от двух слов: «мульти» — много и «вибратор» — источник колебаний, поскольку колебания мультивибратора содержат большое число гармоник. Мультивибратор может работать в автоколебательном режиме, режиме синхронизации и ждущем режиме. В автоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, в режиме синхронизации на мультивибратор действует извне синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов, ну а в ждущем режиме мультивибратор работает как генератор с внешним возбуждением.

Мультивибратор в автоколебательном режиме

На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями, на рисунке 2 — графики, поясняющие принцип его работы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов на резиках. Выход каждого каскада соединен со входом другого каскада через кондеры С1 и С2.

Рис. 1 — Мультивибратор на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями

Мультивибратор, у которого транзисторы идентичны, а параметры симметричных элементов одинаковы, называется симметричным. Обе части периода его колебаний равны и скважность равна 2. Если кто забыл, что такое скважность, напоминаю: скважность — это отношение периода повторения к длительности импульса Q=T и /t и. Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения. Так вот, если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным.

Мультивибратор в автоколебательном режиме имеет два состояния квазиравновесия, когда один из транзисторов находится в режиме насыщения, другой — в режиме отсечки и наоборот. Эти состояния не устойчивые. Переход схемы из одного состояния в другое происходит лавинообразно из-за глубокой ПОС.


Рис. 2 — Графики, поясняющие работу симметричного мультивибратора

Допустим, при включении питания транзистор VT1 открыт и насыщен током, проходящим через резик R3. Напряжение на его коллекторе минимально. Кондер С1 разряжается. Транзистор VT2 закрыт и кондер С2 заряжается. Напряжение на кондере С1 стремится к нулю, а потенциал на базе транзистора VT2 постепенно становится положительным и VT2 начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается и кондер С2 начинает разряжаться, транзистор VT1 закрывается. Далее процесс повторяется до бесконечности.

Параеметры схемы должны быть следующими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Длительность импульсов определяется по формуле:

Период импульсов определяется:

Ну а чтобы определить частоту, надо единицу разделить на вот эту вот хренотень (см. чуть выше).

Выходные импульсы снимаются с коллектора одного из транзисторов, причем с какого именно — не важно. Другими словами, в схеме два выхода.

Улучшение формы выходных импульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может быть достигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов, как показано на рисунке 3. Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам подключены дополнительные резики R д1 и R д2 .

Рис. 3 — Мультивибратор с улучшенной формой выходных импульсов

В этой схеме после закрывания одного из транзисторов и понижения потенциалла коллектора подключенный к его коллектору диод также закрывается, отключая кондер от коллекторной цепи. Заряд кондера происходит через дополнительный резик R д, а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится равным E к. Максимальная длительность фронтов импульсов в коллекторных цепях определяется в основном частотными свойствами транзисторов.

Такая схема позволяет получить импульсы почти прямоугольной формы, но её недостатки заключаются в более низкой максимальной скважности и невозможностью плавной регулировки периода колебаний.

На рисунке 4 приведена схема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частоту автоколебаний.

Рис. 4 — Быстродействующий мультивибратор

В этой схеме резики R2, R4 подключены параллельно кондерам С1 и С2, а резики R1, R3 ,R4, R6 образуют делители напряжения, стабилизирующие потенциал базы открытого транзистора (при токе делителя, большем тока базы). При переключении мультивибратора ток базы насыщенного транзистора изменяется более резко, чем в ранее рассмотренных схемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выход транзистора из насыщения.

Ждущий мультивибратор

Мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме и не имеющий состояния устойчивого равновесия, можно превратить в мультивибратор, имеющий одно устойчивое положение и одно неустойчивое положение. Такие схемы называются ждущими мультивибраторами или одновибриторами, одноимпульсными мультивибраторами, релаксационными реле или кипп-реле. Перевод схемы из устойчивого состояния в неустойчивое происходит путем воздействия внешнего запускающего импульса. В неустойчивом положении схема находится в течение некоторого времени в зависимости от её параметров, а затем автоматически, скачком возвращается в первоначальное устойчивое состояние.

Для получения ждущего режима в мультивибраторе, схема которого была показана на рис. 1, надо выкинуть пару деталюшек и заменить их, как показано на рис. 5.

Рис. 5 — Ждущий мультивибратор

В исходном устойчивом состоянии транзистор VT1 закрыт. Когда на вход схемы приходит положительный запускающий импульс достаточной амплитуды, через транзистор начинает проходить коллекторный ток. Изменение напряжения на коллекторе транзистра VT1 передается через кондер С2 на базу транзистора VT2. Благодаря ПОС (через резик R4) нарастает лавинообразный процесс, приводящий к закрыванию транзистора VT2 и открыванию транзистора VT1. В этом состоянии неустойчивого равновесия схема находится до тех пор, пока кондер С2 не разрядится через резик R2 и проводящий транзистор VT1. После разряда кондера транзистор VT2 открывается, а VT1 закрывается и схема возвращается в исходное состояние.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотен мкс. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е. длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность может быть от нескольких сотен до десятков тысяч. Транзистор, на котором собран блокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, а остальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течении которого транзистор открыт, много меньше времени, в течении которого он закрыт. Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой на коллекторе. Благодаря большой скважности в блокинг-генераторе можно получить очень большую мощность во время импульсов малой и средней мощности.

При большой скважности блокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляет энергию от источника питания только в течении небольшого времени формирования импульса. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.

Автоколебательный режим

Блокинг-генераторы могут быть собраны на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или по схеме с ОБ. Схему с ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшую длительность фронта), хотя схема с ОБ более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора.

Схема блокинг-генератора показана на рис. 1.

Рис. 1 — Блокинг-генератор

Работу блокинг-генератора можно разделить на две стадии. В первой стадии, занимающей большую часть периода колебаний, транзистор закрыт, а во второй — транзистор открыт и происходит формирование импульса. Закрытое состояние транзистора в первой стадии поддерживается напряжением на кондере С1, заряженным током базы во время генерации предыдущего импульса. В первой стадии кондер медленно разряжается через большое сопротивление резика R1, создавая близкий к нулевому потенциал на базе транзистора VT1 и он остается закрытым.

Когда напряжение на базе достигнет порога открывания транзистора, он открывается и через коллекторную обмотку I трансформатора Т начинает протекать ток. При этом в базовой обмотке II индуктируется напряжение, полярность которого должна быть такой, чтобы оно создавало положительный потенциал на базе. Если обмотки I и II включены неправильно, то блокинг-генератор не будет генерировать. Значится, концы одной из обмоток, неважно какой, необходимо поменять местами.

Положительное напряжение, возникшее в базовой обмотке, приведет к дальнейшему увеличению коллекторного тока и тем самым — к дальнейшему увеличению положительного напряжения на базе и т. д. Развивается лавинообразный процесс увеличения коллекторного тока и напряжения на базе. При увеличении коллекторного тока происходит резкое падение напряжения на коллекторе.

Лавинообразный процесс открывания транзистора, называющийся прямым блокинг-процессом, происходит очень быстро, и поэтому во время его протекания напряжение на кондере С1 и энергия магнитного поля в сердечнике практически не изменяются. В ходе этого процесса формируется фронт импульса. Процесс заканчивается переходом транзистора в режим насыщения, в котором транзистор утрачивает свои усилительные свойства, и в результате положительная обратная связь нарушается. Начинается этап формирования вершины импульса, во время которого рассасываются неосновные носители, накопленные в базе, и кондер С1 заряжается базовым током.

Когда напряжение на базе постепенно приблизится к нулевому потенциалу, транзистор выходит из режима насыщения и тогда восстанавливаются его усилительные свойства. Уменьшение тока базы вызывает уменьшение тока коллектора. При этом в базовой обмотке индуктируется напряжение, отрицательное относительно базы, что вызывает ещё большее уменьшение тока коллектора и т. д. Образуется лавинообразный процесс, называемый обратным блокинг-процессом, в результате которого транзистор закрывается. Во время этого процесса формируется срез импульса.

Для ограничения обратного выброса включают «демпферный» диод VD1. Во время основного процесса диод закрыт и не влияет на работу блокинг-генератора. Диод VD1 включается параллельно коллекторной обмотке трансформатора.

Опосля всех этих процессов происходит восстановление схемы в исходное состояние. Это и будет промежуток между импульсами. Процесс, так сказать, молчания заключается в медленном разряде кондера С1 через резик R1. Напряжение на безе при этом медленно растет, пока не достигнет порога открывания транзистора и процесс повторяется.

Период следования импульсов можно приближенно определить по формуле:

T и ≈(3÷5)R1C1

Ждущий режим

По аналогии с мультивибратором, для блокинг-генератора этот режим характерен тем, что схема генерирует импульсы только при поступлении на её вход запускающих импульсов произвольной формы. Для получения ждущего резима в блокинг-генератор длжно быть включено запирающее напряжение (рис. 2).


Рис. 2 — Блокинг-генератор в ждущем режиме

В исходном состоянии транзистор закрыт отрицательным смещением на базе (-E б) и прямой блокинг-процесс начинается только после подачи на базу транзистора положительного импульса достаточной амплитуды. Формирование импульса осуществляется так же, как и в автоколебательном режиме. Разряд кондера С после окончания импульса происходит до напряжения -E б. Затем транзистор остается закрытым до прихода следующего запускающего импульса. Форма и длительность импульсов, формируемых блокинг-генератором, зависит при этом от параметров схемы.

Для нормальной работы ждущего блокинг-генератора необходимо выполнить неравенство:

Т з ≥(5÷10)R1C1

где Т з — период повторения запускающих импульсов.

Для устранения влияния цепей запуска на работу ждущего блокинг-генератора включают раздельтельный диод VD2, который закрывается после открывания транзистора, в результате чего прекращается связь между блокинг-генератором и схемой запуска. Иногда в цепь запуска включают дополнительный каскад развязки (эмиттерный повторитель).

Двигатели постоянного тока: принцип действия, пуск, регулирование скорости вращения, искусственные характеристики.

Различают статические и динамические режимы работы двигателей. В статическом режиме ω=const; I Я =const; U ДВ =const и он описывается так называемыми механическими характеристиками

.

В статическом режиме двигатель независимого возбуждения описывается следующей системой уравнений:

где первое уравнение — уравнение якорной цепи, второе и третье —

и , четвертое — механическое уравнение, пятое — уравнение цепи возбуждения.

Из первых четырех уравнений

получим уравнение механической характеристики:

Поскольку применяемые в системах автоматического управления двигатели являются управляемыми, различают два типа управления двигателями постоянного тока — якорное управление и полюсное управление.

При якорном управлении производится изменение напряжения, подаваемого в якорную цепь без изменения возбуждения. При полюсном управлении, наоборот, меняется поле возбуждения путем изменения тока в обмотках главных полюсов i B . Для расширения диапазона управления применяют также комбинированное управление.

При полюсном управлении Ф B =const, поэтому уравнение механической характеристики согласно

будет иметь вид:

Графически эта характеристика при фиксированном напряжении на двигателе представляет собой прямую, пересекающую координатные оси в точках ω 0 и M К.З. (см.

), где ω 0 — частота вращения холостого хода, а M К.З. — момент короткого замыкания, когда ротор двигателя неподвижен.

Рис. 5-6а. Статическая характеристика ДПТ.

Электрическая машина работает в режиме двигателя при 0M К.З. происходит вращение двигателя в противоположную сторону под действием внешнего момента — машина работает в режиме тормоза (режим противовключения), при ω>ω 0 машина работает в режиме генератора на сеть, имеющую напряжение U H .

Рис. 5-6б. Статическая характеристика ДПТ.

Механические характеристики при различных напряжениях питания двигателя выглядят, как семейство прямых, показанных на

. Часто их строят в функции тока якоря I Я, тогда аналитическое выражение для механических характеристик примет вид: ,

откуда видно, что падение скорости при нагрузке двигателя зависит исключительно от сопротивления якорной цепи R Я.

Кроме механических, существуют регулировочные характеристики. Для якорного управления это зависимость частоты вращения от напряжения питания U ДВ. Вид этих характеристик показан на

, где U ТР — напряжение трогания двигателя.

Регулировочная характеристика для полюсного управления может быть получена из

при U ДВ =const.

Рис. 5-6в. Статическая характеристика ДПТ.

Вид этих характеристик при различных нагрузках показан на

.

Рис. 5-6г. Статическая характеристика ДПТ.

Для холостого хода, когда M=0, эта характеристика имеет вид гиперболы

Двигатель постоянного тока как динамическая система описывается следующими уравнениями в операторной форме:

На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как динамической системы (

).

Рис. 5-7а. Структурная схема ДПТ.

Из структурной схему получим передаточные функции двигателя:

— коэффициент передачи, — постоянная времени якоря, — электромеханическая постоянная времени.

Пользуясь формулой Хевисайда, по передаточным функциям можно построить переходные процессы, например при пуске двигателя, как это показано на

.

Рис. 5-7б. Переходный процесс при пуске ДПТ.

При T M »T Я, как это обычно бывает, получим выражения для тока и скорости при пуске:

Для анализа динамики двигателя постоянного тока при полюсном управлении рассматривают уравнения, аналогичные уравнениям

в отклонениях, так как регулировочная характеристика при полюсном управлении является нелинейной.

Рис. 5-8б. Переходный процесс при пуске ДПТ при полюсном управлении.

Пуск в ход двигателей постоянного тока

В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен, противо-ЭДС равна нулю (Е=0). При непосредственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой ток I пус =U/R я. Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателя очень маленькой мощности, у которых значение падения напряжения в якоре относительно большое и изменения тока не столь велики.

В машинах постоянного тока большой мощности падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентов от номинального напряжения, т.е.

IR я =(0,02-0,01)U. Следовательно, пусковой ток в случае включения двигателя в сеть с номинальным напряжением во много раз превышает номинальный.

При пуске в ход для ограничения пускового тока используют реостаты, включаемые последовательно с якорем двигателя.

Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы, и выполняются ступенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессе пуска его в ход.

Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом показана на рис.24.

Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш. Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с металлической шиной, помещенной на реостате (шунт). Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочный резистор Rр присоединяется обмотка возбуждения. Другие зажимы якоря и обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены к другому полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть. При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так, что последовательно с якорем соединено полное сопротивление реостата ПР, которое выбирается таким, чтобы больший ток при пуске в ход I max не превышал номинальный ток более чем в 1,7¸2,5 раза, т.е. R n =(U/I max)-R я. При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент. Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на валу двигателя (М пуск >М т), то якорь машины придет во вращение.

Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения I min , движок пускового реостата переводится на контакт 2, при этом сопротивление реостата уменьшится на одну ступень. Ток в якоре снова возрастет до значения I max , а с увеличением тока в якоре возрастет вращающий момент, вследствие чего частота вращения ротора вновь увеличится. Переключая движок реостата, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено (движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частота вращения якоря принимают установившиеся значения.

При отключении двигателя от сети металлическая шина пускового реостата должна быть соединена с зажимом 1. Это необходимо для того, чтобы не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющий значительную индуктивность. Кроме того, движок пускового реостата переводится на холостой контакт 0, и рубильник отключается.

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

В двигателях постоянного тока имеется возможность плавно и экономично регулировать частоту вращения в широких пределах. Благодаря этому весьма ценному свойству они получили широкое распространение и часто являются незаменимыми. Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:

,

где Rc – сопротивление последовательной обмотки возбуждения (Для двигателя параллельного возбуждения Rc=0). Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.

Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.

Для регулирования частоты вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается КПД двигателя.

Регулируют частоту вращения якоря двигателя также изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением. Этот способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.

Автоматическое управление двигателями постоянного тока

Типовая схема автоматического пуска двигателя в функции времени в две ступени показана на рис.25

Для автоматического пуска используют два электромагнитных реле времени КТ1 и КТ2, контакты которых работают с выдержкой времени на замыкание. После подачи напряжения в цепь управления (перед пуском двигателя) реле КТ1 получает питание и, втягиваясь, размыкает свой контакт, не позволяя тем самым сразу включать контакторы ускорения КМ2 и КМ3. После включения контактора КМ1 двигатель работает на искусственной характеристике 1 (см.рис.26). Одновременно размыкается нормально замкнутый контакт в цепи катушки реле времени КТ1 и замыкается нормально разомкнутый контакт в цепи контакторов КМ2 и КМ3. Через выдержку времени, достаточную для разгона двигателя по искусственной характеристики 1, реле времени КТ1 замыкает свой контакт в цепи контакторов КМ2 и КМ3. Контактор КМ2 включается (выбрасывается из главной цепи сопротивление R2) и двигатель переходит на искусственную характеристику 2. При замкнутом контакте КМ2 катушка реле времени КТ2 теряет питание и через выдержку времени, достаточную для разгона двигателя по искусственной характеристики 2, замыкает свой контакт в цепи катушки КМ3. Контакт КМ3 замыкается (выбрасывается из главной цепи сопротивление R2) и двигатель переходит на естественную характеристику 3.

n (об/мин)

3

Мультивибратор.

Первая схема — простейший мультивибратор. Не смотря не его простоту, область применения его очень широка. Ни одно электронное устройство не обходится без него.

На первом рисунке изображена его принципиальная схема.

В качестве нагрузки используются светодиоды. Когда мультивибратор работает — светодиоды переключаются.

Для сборки потребуется минимум деталей:

1. Резисторы 500 Ом — 2 штуки

2. Резисторы 10 кОм — 2 штуки

3. Конденсатор электролитический 47 мкФ на 16 вольт — 2 штуки

4. Транзистор КТ972А — 2 штуки

5. Светодиод — 2 штуки

Транзисторы КТ972А являются составными транзисторами, то есть в их корпусе имеется два транзистора, и он обладает высокой чувствительностью и выдерживает значительный ток без теплоотвода.

Когда вы приобретёте все детали, вооружайтесь паяльником и принимайтесь за сборку. Для проведения опытов не стоит делать печатную плату, можно собрать всё навесным монтажом. Спаивайте так, как показано на рисунках.


А уж как применить собранное устройство, пусть подскажет ваша фантазия! Например, вместо светодиодов можно поставить реле, а этим реле коммутировать более мощную нагрузку. Если изменить номиналы резисторов или конденсаторов – изменится частота переключения. Изменением частоты можно добиться очень интересных эффектов, от писка в динамике, до паузы на много секунд..

Фотореле.

А это схема простого фотореле. Это устройство с успехом можно применить где Вам угодно, для автоматической подсветки лотка DVD, для включения света или для сигнализации от проникновения в тёмный шкаф. Предоставлены два варианта схемы. В одном варианте схема активируется светом, а другом его отсутствием.



Работает это так: когда свет от светодиода попадает на фотодиод, транзистор откроется и начнёт светиться светодиод-2. Подстроечным резистором регулируется чувствительность устройства. В качестве фотодиода можно применить фотодиод от старой шариковой мышки. Светодиод — любой инфракрасный светодиод. Применение инфракрасного фотодиода и светодиода позволит избежать помех от видимого света. В качестве светодиода-2 подойдёт любой светодиод или цепочка из нескольких светодиодов. Можно применить и лампу накаливания. А если вместо светодиода поставить электромагнитное реле, то можно будет управлять мощными лампами накаливания, или какими-то механизмами.

На рисунках предоставлены обе схемы, цоколёвка(расположение ножек) транзистора и светодиода, а так же монтажная схема.


При отсутствии фотодиода, можно взять старый транзистор МП39 или МП42 и спилить у него корпус напротив коллектора, вот так:

Вместо фотодиода в схему надо будет включить p-n переход транзистора. Какой именно будет работать лучше – Вам предстоит определить экспериментально.

Усилитель мощности на микросхеме TDA1558Q.

Этот усилитель имеет выходную мощность 2 Х 22 ватта и достаточно прост для повторения начинающими радиолюбителями. Такая схема пригодится Вам для самодельных колонок, или для самодельного музыкального центра, который можно сделать из старого MP3 плеера.

Для его сборки понадобится всего пять деталей:

1. Микросхема — TDA1558Q

2. Конденсатор 0.22 мкФ

3. Конденсатор 0.33 мкФ – 2 штуки

4. Электролитический конденсатор 6800 мкФ на 16 вольт

Микросхема имеет довольно высокую выходную мощность и для её охлаждения понадобится радиатор. Можно применить радиатор от процессора.

Всю сборку можно произвести навесным монтажом без применения печатной платы. Сначала у микросхемы надо удалить выводы 4, 9 и 15. Они не используются. Отсчёт выводов идёт слева направо, если держать её выводами к себе и маркировкой вверх. Потом аккуратно распрямите выводы. Далее отогните выводы 5, 13 и 14 вверх, все эти выводы подключаются к плюсу питания. Следующим шагом отогните выводы 3, 7 и 11 вниз – это минус питания, или «земля». После этих манипуляций прикрутите микросхему к теплоотводу, используя теплопроводную пасту. На рисунках виден монтаж с разных ракурсов, но я всё же поясню. Выводы 1 и 2 спаиваются вместе – это вход правого канала, к ним надо припаять конденсатор 0.33 мкФ. Точно так же надо поступить с выводами 16 и 17. Общий провод для входа это минус питания или «земля».

Мультивибратор схема которого показана на рисунке 1 представляет собой каскадное соединение транзисторных усилителей где выход первого каскада подключен ко входу второго через цепь содержащую конденсатор и выход второго каскада подключен ко входу первого через цепь содержащую конденсатор. Усилители мультивибратора представляют собой транзисторные ключи которые могут находиться в двух состояниях. Схема мультивибратора на рисунке 1 отличается от схемы триггера рассмотренного в статье «триггер на электронных транзисторных ключах «. Тем что имеет в цепях обратной связи реактивные элементы поэтому схема может генерировать несинусоидальные колебания. Найти сопротивления резисторов R1 и R4 можно из соотношений 1 и 2:

Где I КБО =0.5мкА -максимальный обратный ток коллектора транзистора кт315а,

Iкmax=0.1А — максимальный ток коллектора транзистора кт315а, Uп=3В — напряжение питания. Выберем R1=R4=100Ом. Конденсаторы C1 и C2 выбираются в зависимости от того какая требуется частота колебаний мультивибратора.

Рисунок 1 — Мультивибратор на транзисторах КТ315А

Снимать напряжение можно между точками 2 и 3 или между точками 2 и 1. На графиках ниже показано как примерно будет меняться напряжение между точками 2 и 3 и между точками 2 и 1.

T — период колебаний, t1 — постоянная времени левого плеча мультивибратора, t2 — постоянная времени правого плеча мультивибратора могут быть рассчитаны по формулам:

Задавать частоту и скважность импульсов генерируемых мультивибратором можно изменяя сопротивления подстроечных резисторов R2 и R3. Можно также заменить конденсаторы C1 и C2 переменными (или подстроечными) и изменяя их ёмкость задавать частоту и скважность импульсов генерируемых мультивибратором, такой способ, даже, более предпочтителен, поэтому если есть подстроечные (или лучше переменные) конденсаторы то лучше их использовать, а на место переменных резисторов R2 и R3 поставить постоянные. На фотографии ниже показан собранный мультивибратор:

Для того чтобы убедиться в том что собранный мультивибратор работает к нему (между точками 2 и 3) был подключен пьезодинамик. После подачи питания на схему пьезодинамик начал трещать. Изменения сопротивлений подстроечных резисторов приводили либо к увеличению частоты звука издаваемого пьезодинамиком либо к её уменьшению или к тому что мультивибратор переставал генерировать.
Программа расчёта частоты, периода и постоянных времени, скважности импульсов снимаемых с мультивибратора:

Если программа не работает то скопируйте её html код в блокнот и сохраните в формате html.
Если используется браузер Internet Explorier и он блокирует работу программы, то необходимо разрешить заблокированное содержимое.
js отключен

Другие мультивибраторы:

Флайбэк по китайски / Силовая электроника / Сообщество EasyElectronics.ru

В предыдущей статье я описывал маломощный блочок на TinySwitch-II. Однако, настоящие китайцы делают такие вещи только на транзисторах! Что ж, почему бы не взять с них пример? Попробуем разобраться, как это работает.


Внимание!
Большая часть схемы находится под опасным для жизни напряжением!
Запрещается:
  • Лезть во включенное в сеть устройство руками, паяльником и прочими предметами.
  • Лезть в устройство ранее, чем через 5 минут после отключения от сети.
  • Отлаживать включенное устройство без разделительного трансформатора.
  • Пользоваться устройством без надежного изолирующего корпуса.
  • Питать от него устройства, не имеющие двойной изоляции, без использования УЗО.

Флайбэк на насыщающемся трансформаторе

На рисунке выше приведена вполне типичная схема сабжа. Даже не самая упрощенная. Еще некоторое количество схемок можно глянуть тут. Конкретна эта — от китайского зарядника для самсунгов. Несмотря на ее простоту, схема охвачена двумя колечками стабилизирующих обратных связей.

Кстати, скорее всего я ошибся, когда ее снимал, и резисторы R1 и R2 имеют сопротивление 2.2 Ом, а не 0.22.

На VD1, R1, C1 собрана вполне типичная для китайцев схема питания высоковольтной части. R1 — специальный разрывной резистор. Они умеют быстро и надежно сгорать при превышении мощности, выполняя одновременно две функции — ограничения тока заряда C1 и предохранителя. Где такие взять — хз, так что не стоит забывать про нормальный предохранитель. C1 можно прикинуть из соотношения 1мкФ на 1Вт выходной мощности.

Правая часть не менее стандартная. Обычная вторичная цепь флайбэка. R8 и R9 — неотключаемая нагрузка, HL1 — индикатор.

C3, R7, VD4 образуют вполне обычную фиксирующую цепочку. Она описана у Семенова. Есть про нее и в приложенной статье хз откуда, в том числе и почему там используется медленный 1N4007. Добавить к этому особо нечего.

А вот все остальное как раз и представляет основной интерес.

На VT1 и T1 собран блокинг-генератор (хотя, точно не уверен — я с блокинг-генераторами не знаком). Через цепочку R3, R5, C2 подается положительная обратная связь. Работает он довольно просто. Ток через R4 приоткрывает VT1 и через него начинает течь ток. Этот ток, через трансформатор и цепь ПОС подается базу VT1, ускоряя его открывание, в результате транзистор лавинообразно открывается и поддерживается в таком состоянии нарастающим током через первичную обмотку трансформатора. Через некоторое время ток первичной обмотки достигает тока ее насыщения, при этом ток в обмотке ОС резко падает и транзистор начинает закрываться. Трансформатор выходит из насыщения и цепь ПОС восстанавливается, ускоряя закрывание транзистора. После полного закрывания транзистора он удерживается в этом состоянии до тех пор, пока не перезарядится C2.

Таким образом, время открытого состояния транзистора определяется временем нарастания тока в обмотке трансформатора до тока его насыщения, а закрытого — конденсатором C2 и резисторами в цепи ПОС. Если присмотреться, можно заметить сходство с токовым ШИМ (current-mode PWM), примененным в TinySwitch-II, и, собственно, это он и есть. Он ограничивает ток первичной обмотки, а следовательно, и запасаемую в ней за один цикл энергию (она зависит исключительно от тока через первичную обмотку и ее индуктивности). Поскольку из переменных величин на передаваемую преобразователем мощность влияют только частота преобразования и запасаемая за цикл энергия, то этот механизм стабилизирует передаваемую во вторичную цепь мощность (в определенных пределах, т.к. изменение времени фазы накопления приводит к изменению частоты преобразования). Собственно, это и есть первая из петель стабилизирующей обратной связи. Благодаря тому, что она ограничивает выходной ток преобразователя — он не особо боится короткого замыкания выхода (но недолго, т.к. защиты от КЗ нет, а вся передаваемая энергия в этом режиме рассеивается вторичной обмоткой и диодом VD5).

Однако, эта петля ограничивает передаваемую мощность. Несложно посчитать, что без внешней нагрузки и при стабилизации мощности на уровне 2Вт выходное напряжение будет порядка 32В, и это только благодаря неотключаемой нагрузке. В большинстве случаев необходимо если не стабилизировать, то хотя бы ограничивать выходное напряжение. Для этой цели предназначена цепочка VD2, VD3, C4. VD3 и C4 образуют выпрямитель, выпрямляющий напряжение с обмотки ОС. Поскольку ток в обмотке ОС и вторичке течет одновременно — напряжения на них связаны коэффициентом трансформации: UW3 = NW3 * UW2 / NW2. Соответственно связаны и напряжения на выходах выпрямителей. Как только напряжение на C4 превысит порог открывания VD2 — он откроется и прижмет базу VT1, тем самым срывая генерацию до тех пор, пока C4 не разрядится. Так реализуется ключевая стабилизация выходного напряжения по сигналу с обмотки связи.

Не составляет особой проблемы и введение ОС из вторичной цепи через оптопару. При этом светодиод оптопары включается как обычно, а транзистор между землей и базой VT1. Тогда при зажигании светодиода транзистор оптопары откроется и придавит базу VT1, срывая генерацию. Впрочем, обычно такая стабилизация применяется в несколько более сложной схеме.

Алсо эта схема работает не хуже, если в качестве VT1 применить MOSFET.

Токовый ШИМ без насыщающегося трансформатора

Достаточно просто можно переделать схему, сохранив токовый ШИМ, но устранив насыщение сердечника трансформатора. Для этого надо ввести токоизмерительный шунт и еще один транзистор:

Теперь, когда ток первичной обмотки достигнет такого значения, что на R9 будет падать 0.7В (т.е. в данном случае — 100мА) транзистор VT2 откроется и закроет VT1. Трансформатор же до состояния насыщения не дойдет. Кроме того, иногда в качестве VT2 используют транзистор оптопары. Тогда он одновременно выполняет и функцию компаратора тока, и функцию стабилизации выходного напряжения. Эта схема чуть получше, хотя и не уверен точно — чем именно.

Как рассчитать такой питальник

Честно говоря — я и сам не знаю точно, ни разу не видел статей по этому поводу. Так что дальше — чистая отсебятина, да еще и неопробованная 🙂 Так что только намечу примерный процесс.

Итак, прежде всего стоит поколупать архивчик подобных схем и выбрать какая посимпатичнее (попонятнее, не слишком упрощенная или напротив, попроще и все такое). Номиналы большей части можно оставить, а вот остальное посчитать.

Конденсатор фильтра. Правило я уже приводил выше — 1 мкФ на 1Вт выходной мощности.

Трансформатор. Задаемся требуемыми параметрами, частотой преобразования в районе 30-40кГц и считаем ток и индуктивность первичной обмотки по методике Семенова. При этом выяснятся индуктивность и ток первички. Теперь надо посчитать параметры первички. Для варианта с насыщающися трансформатором ее надо считать так, чтобы трансформатор насыщался при рассчитанном токе первички. Для варианта с дополнительным транзистором — наоборот, чтобы не насыщался, да еще и запас оставить. Также в этом случае нужно посчитать R9 = 0.7V / I1.

Теперь можно рассчитать вторичку и обмотку связи. Вторичку можно посчитать по методике Семенова, можно просто посчитать как для трансформатора с напряжением на первичной обмотке 130В — т.е. N1/N2 = 130V/U2. Затем посчитать обмотку связи так, чтобы N2/N3 = U2/UVD3, U2=Uout+UVD5.

Если нужно несколько выходных напряжений — за вторичку принимается обмотка, с которой снимается наибольшая мощность, остальные считаются как в обычном трансформаторе — т.е. если вторичка 5В, а нужно еще 12В — то в обмотке на 12В будет в 12/5 раз больше ветков, чем в пятивольтовой. Также можно делать обмотки с отводами, примерно как рисует PI Expert, если ему указать несколько выходных напряжений и разрешить Stacking в настройках вторичных обмоток.

Если нужна более точная стабилизация — следует рассчитывать ограничитель на VD2, VD3, C4 на напряжение, несколько большее выходного, либо вообще выкинуть, а цепочку оптопары посчитать как обычно (книжка Семенова в помощь, ага).

Разумеется, такой расчет выдаст результаты весьма сомнительной точности, так что скорее всего придется взять их за отправную точку и дальше заняться наладкой и экспериментированием. Так что запаситесь разделительным трансформатором, резиновыми перчатками и соответствующим измерительным оборудованием, а также сотнями осторожности и томиком по ТБ.

О намотке трансформатора

Помимо уже сказанного о намотке трансформатора в статье про источник на TinySwitch (собсно, вся эта статья предполагает, что та статья и хотя бы часть книги Семенова скурена), следует отметить порядок намотки обмоток.
Итак:
  • Первой наматывается первичка.
  • Второй — основная вторичка.
  • Третьей — обмотка связи.
  • четвертой и так далее — все остальные вторичные обмотки.

P.S. Нда, сумбурненько. Особенно последняя часть, про расчет 🙂 Разумеется, замечания и уточнения по нему категорически приветствуются 🙂

Блокирующий диод

— обзор

7 Потери из-за рассогласования и блокирующие / байпасные диоды

Ряд проблем возникает в массиве, состоящем из нескольких последовательно или параллельно соединенных модулей. Потери рассогласования могут возникать, например, из-за неравномерного освещения массива или из-за того, что разные модули в массиве имеют разные параметры. В результате выходная мощность массива будет меньше суммы выходных мощностей, соответствующих составляющим модулям. Что еще хуже, некоторые элементы могут быть повреждены из-за избыточного рассеивания мощности в результате так называемого образования горячей точки .

ФЭ-массив в темноте ведет себя как диод при прямом смещении и при прямом подключении к батарее обеспечивает путь разряда для батареи. Этих обратных токов традиционно избегают за счет использования блокирующих (или цепочечных) диодов (рис. 7). Блокирующие диоды также играют роль в предотвращении избыточных токов в параллельно соединенных цепочках. Потери рассогласования, возникающие в результате затенения части последовательной цепочки, показаны на Рисунке 8, на котором показаны ВАХ пяти последовательно соединенных солнечных элементов.Когда одна ячейка заштрихована, текущий вывод строки определяется током из заштрихованной ячейки. Во время короткого замыкания или около него затененная ячейка рассеивает мощность, генерируемую освещенными ячейками в цепочке; если количество ячеек значительное, возникающий в результате нагрев может повредить стекло, герметик или ячейку. Эту проблему можно решить, используя байпасные диоды. Однако следует отметить, что результирующая ВАХ теперь имеет два локальных максимума, что может отрицательно повлиять на отслеживание точки максимальной мощности.

Рис. 7. Матрица, состоящая из двух цепочек, каждая с блокирующим диодом. Каждый модуль снабжен байпасным диодом. На практике рекомендуется использовать байпасный диод для каждого последовательного соединения 10–15 ячеек [2].

Рис. 8. ВАХ последовательной струны с четырьмя подсвеченными и одной заштрихованной ячейками. (а) Четыре освещенные клетки. (h) Одна заштрихованная ячейка с байпасным диодом. (c) Четыре ячейки с подсветкой и одна ячейка с затемнением, без диода. (d) Четыре освещенных ячейки и одна заштрихованная ячейка с байпасным диодом поперек заштрихованной ячейки.

Использование блокирующих диодов было предметом обсуждения, и их использование следует оценивать в каждой конкретной ситуации, уделяя особое внимание компромиссу между потерями мощности из-за падений напряжения на диоде и потерями из-за обратных токов в темноте. если диоды опущены. При использовании современных регуляторов заряда и инверторов, отключающих массив в темноте, блокирующие диоды в любом случае могут оказаться лишними.

В качестве иллюстрации на рисунке 9 сравниваются потери, возникающие с использованием и без использования блокирующих диодов, в массиве, показанном на рисунке 9 (a) автономной системы с батареей, без устройства отслеживания точки максимальной мощности.Если никакие диоды не подключены и одна из цепочек находится в темноте, а другая освещена излучением, показанным на Рисунке 9 (d), общая мощность, рассеиваемая в темной цепочке, показана на Рисунке 9 (b). Можно видеть, что мощность, рассеиваемая темной струной, никогда не достигает более 200 мВт, что составляет менее 0,1% от номинальной пиковой мощности массива. Когда включен блокирующий диод, чтобы избежать рассеивания в темной струне, рассеиваемая мощность снижается до уровня десятых долей милливатт.Однако мощность, рассеиваемая самим диодом, намного выше и достигает нескольких ватт, как показано на рисунке 9 (c).

Рис. 9. Потери мощности в течение одного дня в одной из цепочек массива на (а) в результате обратных токов через цепочку в темноте (заштриховано), если блокирующий диод не установлен (б). Мощность, рассеиваемая в блокирующем диоде одной цепочки (в). (d) показывает освещенность, используемую при моделировании. Каждый модуль массива (а) состоит из 32 последовательно соединенных ячеек номинальной мощностью 45.55 Вт при стандарте AM1,5, 1 кВт / м 2 освещенности.

Это имеет разные последствия для подключенных к сети и автономных систем. Системы, подключенные к сети, обычно имеют функции MPPT, и потеря мощности в диоде снижает доступную выработку электроэнергии, тем самым снижая общую эффективность системы. В автономной системе без MPPT рабочая точка на нагрузке устанавливается напряжением батареи, и — если диодное соединение не выводит рабочую точку за пределы точки максимальной мощности — энергия, подаваемая на нагрузку, остается прежней.Энергия, рассеиваемая в диоде, происходит за счет дополнительной энергии, производимой фотоэлектрической решеткой.

В низковольтных приложениях, однако, существуют опасения по поводу потенциальных опасностей, если не используются предохранители или блокирующие диоды [9], особенно при неисправности или других необычных условиях эксплуатации. Эти проблемы были решены путем моделирования и экспериментальных работ, в результате которых сделан вывод, что предохранители могут быть не лучшим решением проблемы и что блокирующие диоды могут быть более надежными.

Рекомендации по установке блокирующих диодов в сетевых системах для ряда стран в Задаче 5 Международного энергетического агентства можно найти в ссылке [10].

Описание транзисторов

— как работают транзисторы

Узнайте о транзисторах — одном из самых важных устройств, когда-либо изобретенных. В этой статье мы подробно узнаем, как они работают.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть руководство YouTube.

Что такое транзистор

Транзисторы

Транзисторы бывают разных форм и размеров. Существует два типа сети: биполярная и с полевым эффектом. В этой статье мы в основном сосредоточимся на биполярной версии.Транзисторы — это небольшие электронные компоненты, выполняющие две основные функции. Он может действовать как переключатель цепей управления, а также они могут усиливать сигналы.

Маленькие транзисторы малой мощности заключены в пластмассовый корпус для защиты внутренних частей. Но транзисторы более высокой мощности будут иметь частично металлический корпус, который используется для отвода выделяемого тепла, так как это со временем приведет к повреждению компонентов. Обычно мы находим эти транзисторы в металлическом корпусе прикрепленными к радиатору, который помогает отводить нежелательное тепло.

Mosfet

Например, внутри этого настольного источника питания постоянного тока у нас есть несколько МОП-транзисторов, которые прикреплены к большим радиаторам. Без радиатора компоненты быстро нагреваются до 45 градусов Цельсия (или 113 ° F) при токе всего 1,2 А. По мере увеличения силы тока они станут намного горячее. Но для электронных схем с небольшими токами мы можем просто использовать транзисторы с полимерным корпусом, которые не требуют радиатора.

Номер детали

На корпусе транзистора мы находим текст, который сообщает нам номер детали, который мы можем использовать, чтобы найти техническое описание производителя.Каждый транзистор рассчитан на работу с определенным напряжением и током, поэтому важно проверять эти таблицы.

3 контакта

Теперь с транзистором у нас есть 3 контакта, обозначенные E, B и C. Это обозначает эмиттер, базу и коллектор. Обычно у этих транзисторов с полимерным корпусом с плоской кромкой левый вывод является эмиттером, средний — базой, а правая сторона — коллектором. Однако не все транзисторы используют эту конфигурацию, поэтому обязательно проверьте данные производителя.

Почему мы используем транзисторы?

Мы знаем, что если мы подключим лампочку к батарее, она загорится.Мы можем установить выключатель в схему и управлять светом, отключив подачу питания. Но для этого требуется, чтобы человек вручную управлял переключателем. Итак, как мы можем это автоматизировать? Для этого мы используем транзистор. Этот транзистор блокирует прохождение тока, поэтому свет не горит. Но если мы подадим небольшое напряжение на базовый вывод посередине, это заставит транзистор запускаться, позволяя току течь в главной цепи, поэтому загорается свет. Затем мы можем поместить переключатель на управляющий штифт, чтобы управлять им удаленно, или мы можем разместить на нем датчик, чтобы автоматизировать управление.

Как правило, нам нужно подать минимум 0,6–0,7 вольт на вывод базы, чтобы транзистор включился. Например, эта простая транзисторная схема имеет красный светодиод с напряжением питания 9 В на главной цепи. Базовый вывод подключается к источнику питания постоянного тока. Принципиальная схема выглядит так.

Когда напряжение питания на выводе базы составляет 0,5 В, транзистор выключен, поэтому светодиод также не горит. При 0,6 В транзистор включен, но не полностью, светодиод тусклый, потому что транзистор еще не пропускает полный ток через главную цепь.Тогда при 0,7 В светодиод становится ярче, потому что транзистор пропускает почти полный ток, а при 0,8 В светодиод имеет полную яркость, транзистор полностью открыт.

Итак, что происходит, мы используем небольшое напряжение и ток, чтобы контролировать большее напряжение и ток.

Мы видели, что небольшое изменение напряжения на выводе базы вызывает большое изменение в главной цепи. Следовательно, если мы подаем сигнал на вывод базы, транзистор действует как усилитель.Мы могли бы подключить микрофон, который изменяет сигнал напряжения на базовом выводе, и это усилит громкоговоритель в основной цепи, чтобы сформировать очень простой усилитель.

Обычно в базовом выводе очень небольшой ток, возможно, всего 1 миллиампер или даже меньше. Коллектор имеет гораздо более высокий ток, например 100 миллиампер. Отношение между этими двумя величинами известно как текущий коэффициент усиления и использует символ бета (β). Мы можем найти соотношение в паспорте производителя.

В этом примере ток коллектора составляет 100 миллиампер, а базовый ток — 1 миллиампер, поэтому отношение 100, деленное на 1, дает нам 100.Мы можем изменить эту формулу, чтобы найти токи.

Транзисторы NPN и PNP

У нас есть два основных типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Два транзистора выглядят почти одинаково, поэтому нам нужно проверить номер детали, чтобы определить, какой из них.

С транзистором NPN у нас есть главная цепь и цепь управления. Оба подключены к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. Мы видим, что ток течет по обоим проводам к транзистору.Мы можем удалить основную цепь, и светодиод схемы управления будет по-прежнему включаться при нажатии переключателя, поскольку ток возвращается к батарее через транзистор.

Пример

В этом упрощенном примере, когда переключатель нажат, на основной штифт течет 5 миллиампер. На коллекторный штифт поступает 20 миллиампер, а из эмиттера — 25 миллиампер. Таким образом, ток объединяется в транзисторе.

С транзистором PNP у нас снова есть главная цепь и цепь управления.Но теперь эмиттер подключен к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. С помощью этого типа мы можем видеть, что часть тока вытекает из базового вывода и возвращается к батарее, остальная часть тока течет через транзистор, через главный светодиод и обратно к батарее. Если мы удалим главную цепь, светодиод цепи управления все равно будет гореть.

В этом примере, когда переключатель нажат, в эмиттер поступает 25 миллиампер, из коллектора — 20 миллиампер, а из базы — 5 миллиампер.Таким образом, ток в транзисторе делится.

Транзисторы

показаны на электрических чертежах подобными символами. Стрелка находится на выводе эмиттера. Стрелка указывает в направлении обычного тока, поэтому мы знаем, как подключить их к нашим цепям.

Как работает транзистор

Чтобы понять, как работает транзистор, мы хотим, чтобы вы сначала представили воду, текущую по трубе. Он свободно течет по трубе, пока мы не заблокируем ее диском.Теперь, если мы подключим меньшую трубу к основной и поместим в эту маленькую трубу поворотный затвор, мы сможем перемещать диск с помощью шкива. Чем дальше открывается калитка; тем больше воды может течь в основной трубе. Распашная калитка немного тяжелая, поэтому небольшого количества воды будет недостаточно, чтобы ее открыть. Чтобы ворота открылись, требуется определенное количество воды. Чем больше воды течет в этой маленькой трубе, тем дальше открывается клапан и пропускает все больше и больше воды в основную трубу.По сути, так работает транзистор NPN.

Возможно, вы уже знаете, что при разработке электронных схем мы используем обычный ток. Итак, в этой схеме NPN-транзистора мы предполагаем, что ток течет от положительного полюса батареи к контактам коллектора и базы, а затем выходит из контакта эмиттера. Мы всегда используем это направление для проектирования наших схем.

Однако на самом деле происходит не это. На самом деле электроны текут от отрицательного полюса батареи к положительному.Это было доказано Джозефом Томпсоном, который провел несколько экспериментов по обнаружению электрона, а также доказал, что он движется в противоположном направлении. Таким образом, в действительности электроны перетекают с отрицательного полюса в эмиттер, а затем выходят из коллекторов и выводов базы. Мы называем это электронным потоком.

Помните, мы всегда проектируем схемы, используя традиционный метод измерения тока. Но ученые и инженеры знают, что именно поток электронов работает.

Кстати, мы также подробно рассмотрели, как работает аккумулятор в нашей предыдущей статье, проверьте ЗДЕСЬ.

Итак, мы знаем, что электричество — это поток электронов по проводу. Медный провод — это проводник, а резина — изолятор. Электроны могут легко проходить через медь, но не через резиновый изолятор.

Если мы посмотрим на базовую модель атома для металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, и оно окружено множеством орбитальных оболочек, удерживающих электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку.Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как балансовая оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей балансовой оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть еще одна оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этого, он может вырваться из атома и перейти к другим атомам. У атома металла, такого как медь, оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электронам очень легко перемещаться.

Самая внешняя оболочка уплотнена изолятором. Для электрона очень мало места, или нет места. Ядро плотно захватывает электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний — это пример полупроводника. В этом материале в оболочке слишком много электронов, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор.Но поскольку зона проводимости находится довольно близко, если мы предоставим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Следовательно, этот материал может действовать как изолятор, так и как проводник.

Чистый кремний почти не имеет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество другого материала, который изменяет его электрические свойства. Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти материалы, чтобы сформировать соединение P-N.Мы можем соединить их вместе, чтобы сформировать транзистор NPN или PNP.

Внутри транзистора находятся коллекторный штырь и эмиттерный штырь. Между ними в транзисторе NPN есть два слоя материала N-типа и один слой P-типа. Базовый провод подключается к слою типа P. В транзисторе PNP это просто настроено противоположным образом. Все это покрыто смолой для защиты внутренних материалов.

Давайте представим, что кремний еще не легирован, так что внутри находится чистый кремний.Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждый атом хочет 8 электронов в своей балансовой оболочке. Но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке. Таким образом, они украдкой делятся электроном со своим соседним атомом, чтобы получить желаемую восьмерку. Это известно как ковалентное связывание. Когда мы добавляем материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атомы фосфора имеют в своей валентной оболочке 5 электронов. Итак, поскольку атомы кремния делятся электронами, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, а это означает, что теперь в материале есть дополнительные электроны, и они могут свободно перемещаться.

При легировании P-типа мы добавляем такой материал, как алюминий или алюминий-мин-мкм, у этого атома всего 3 электрона в его валентной оболочке. Следовательно, он не может предоставить своим четырем соседям электрон для совместного использования, поэтому одному из них придется обойтись без него. Это означает, что была создана дыра, в которой электрон может сидеть и занимать ее.

Теперь у нас есть два легированных куска кремния, в одном слишком много электронов, а в другом их недостаточно. Два материала соединяются, образуя PN-соединение, на этом стыке мы получаем так называемую область истощения.В этой области часть избыточных электронов со стороны n-типа переместится, чтобы занять дырку со стороны p-типа. Эта миграция образует барьер со скоплением электронов и дырок на противоположных сторонах.

Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются заряженными положительно. Таким образом, это накопление приводит к образованию слегка отрицательно заряженной области и слегка положительно заряженной области. Это создает электрическое поле и предотвращает перемещение большего количества электронов.Разность потенциалов в этой области обычно составляет около 0,7 В.

Когда мы подключаем источник напряжения к обоим концам, а положительный вывод соединен с материалом P-типа, это создаст прямое смещение, и электроны начнут течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут совершить прыжок.

Когда мы меняем местами источник питания так, чтобы положительный вывод был подключен к материалу N-типа, электроны, удерживаемые в барьере, будут оттянуты назад к положительному выводу, а отверстия будут оттянуты обратно к отрицательному выводу.Это вызвало обратную предвзятость.

В транзисторе NPN есть два слоя материала N-типа, поэтому у нас есть два перехода и, следовательно, два барьера. Таким образом, обычно через него не может протекать ток.

Материал эмиттера N-типа сильно легирован, поэтому здесь много лишних электронов. База P-типа слегка легирована, поэтому здесь есть несколько отверстий. Коллектор N-типа умеренно легирован, поэтому здесь есть несколько лишних электронов.

Если мы подключим батарею между базой и эмиттером, положив положительный полюс на слой P-типа, это создаст прямое смещение.Прямое смещение вызывает коллапс барьера до тех пор, пока напряжение составляет не менее 0,7 вольт. Таким образом, барьер уменьшается, и электроны устремляются, заполняя пространство внутри материала P-типа. Некоторые из этих электронов займут отверстие и будут притягиваться к положительной клемме батареи. Слой P-типа тонкий и специально слегка легирован, поэтому вероятность попадания электронов в дырку мала. Остальные останутся свободно перемещаться по материалу. Следовательно, только небольшой ток будет вытекать из базового штифта, оставляя избыток электронов в материале P-типа.

Если мы затем подключим другую батарею между эмиттером и коллектором, с плюсом, подключенным к коллектору. Отрицательно заряженные электроны внутри коллектора будут притягиваться к положительному выводу, что вызывает обратное смещение. Если вы помните, при обратном смещении электроны и дырки барьера вытягиваются обратно.

Итак, электроны на стороне P-типа барьера притягиваются к стороне N-типа, а отверстия на стороне N-типа притягиваются обратно к P-типу.В материале типа P уже есть избыточное количество электронов, поэтому они будут двигаться, чтобы занять эти отверстия, и некоторые из них будут перетянуты, потому что напряжение этой батареи больше, поэтому притяжение намного выше. Когда эти электроны протягиваются, они перетекают в батарею, поэтому через переход обратного смещения возникает ток.

Более высокое напряжение на выводе базы полностью открывает транзистор, что означает больший ток и большее количество электронов, перемещающихся в слой P-типа, и, следовательно, большее количество электронов тянется через обратное смещение.Мы также видим, что на стороне эмиттера транзистора течет больше электронов, чем на стороне коллектора.



10. Усилители — документация elec2210 1.0

10,4. Обзор

10.4.1. Основы МОП-транзисторных усилителей

Рассмотрим полевой МОП-транзистор с резистивной нагрузкой на стоке, как показано на рисунке 1. Эта схема очень похожа на инвертор с резисторной нагрузкой.

Рисунок 1: Идеальный усилитель MOSFET.

Изменение Vgs вызывает изменение IDS, которое затем вызывает изменение выходного напряжения.

Итак, теория первого порядка дает нам.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению:

(1)

называется крутизной GM.

Однако это уравнение предполагает очень небольшое входное напряжение переменного тока, так что изменение выходного напряжения остается небольшим.

Итак, если мы сделаем усиление напряжения малого сигнала равным 100 и установим амплитуду входного напряжения переменного тока равной 1 мВ, то амплитуда выходного напряжения переменного тока будет 100 * 1 мВ = 0.1В.

10.4.2. Колебание выходного напряжения — максимальное увеличение с помощью конструкции точки смещения

Теперь, если, не будет иметь амплитуду 2 В * 100 = 200 В. Скорее будет насыщать, как мы продемонстрировали на реальном усилителе.

Когда значение ниже порога, транзистор отключается. Таким образом, максимально возможное.

Когда он очень высокий, ток будет увеличиваться и, следовательно, уменьшаться.

Для идеального транзистора с идеальным изгибом напряжения или с напряжением насыщения стока наилучшее минимальное значение, которого мы можем достичь, происходит, когда и уменьшается до нуля.

Если мы дополнительно предположим, что транзистор является линейным, мы обнаружим, что максимальный размах выходного напряжения / 2 может быть получен, если мы выберем постоянный ток, равный, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Идеальная линия нагрузки.

Сопротивление нагрузки — это просто отношение размаха напряжения (или) к размаху тока ():

(2)

Что ж, настоящие полевые МОП-транзисторы не так идеальны, как мы видели из измеренных кривых. Отношение не совсем линейное, но и не слишком далекое.Однако напряжение колена или, при котором происходит насыщение, может быть немного выше 0 В. Этот факт можно учесть, оставив место для напряжения транзистора до насыщения. Следствием этого является то, что самое низкое напряжение не будет равняться нулю.

10.4.3. Стабилизация точки смещения постоянного тока с помощью резистора в источнике

Мы видели, что выходное напряжение и колебания тока во многом связаны с постоянным и постоянным током, которые мы обозначаем как и. Вместе они называются точкой смещения постоянного тока.

Необходимо стабилизировать точку смещения постоянного тока от колебаний температуры, К-фактора или даже порогового напряжения транзистора.

Возьмем, к примеру, увеличение. Это напрямую приводит к увеличению, которое затем увеличивается.

С резистором между источником и землей, как показано на рисунке 3, увеличение увеличивается, а затем увеличивается.

Рисунок 3: Усилитель MOSFET с резистором обратной связи.

Однако рост увеличивается.Следовательно, результирующее увеличение меньше первоначального увеличения от увеличения просто потому, что.

Таким образом, считается, что резистор действует как отрицательная обратная связь, поскольку он отрицательно влияет на увеличение.

10.4.4. Учет обратной связи при работе переменного тока

Для сигнала переменного тока нам не обязательно нужна большая отрицательная обратная связь.

Предположим, мы хотим, чтобы все входное напряжение переменного тока появлялось без перепадов. Мы можем просто добавить достаточно большой конденсатор, чтобы он закоротил конденсатор, как показано на рисунке 3.

10.4.7. R1, R2 выбор

R1 // R2 (R1 параллельно с R2) будет входным сопротивлением источника переменного напряжения (показано на рисунке 4).

Рисунок 4: Усилитель MOSFET с резистором обратной связи и блокировочными конденсаторами постоянного тока.

Обычно мы хотим, чтобы R1 // R2 было большим, скажем, около 100 или больше.

Как правило, мы не хотим, чтобы R1 // R2 был маленьким, так как он будет создавать слишком большую нагрузку на источник переменного тока. Маленький означает большие требования к входному току или «тяжелую» нагрузку.Крайним примером может быть короткое замыкание нагрузки на источник.

10.4.8. Блокирующие конденсаторы постоянного тока

Обычно, когда мы думаем о сигнале переменного тока, его центром является ноль вольт. Подумайте о сигнале, который управляет вашими динамиками. Однако, если выход усилителя снимается непосредственно со стока, он будет иметь значительное смещение постоянного тока. Решением является добавление конденсатора на выходе, как показано на рисунке 4. Этот конденсатор пропускает усиленный сигнал, но не смещение постоянного тока.Вот почему их называют разделительными конденсаторами постоянного тока или, альтернативно, конденсаторами связи переменного тока.

На входе тоже нужен конденсатор

А. В противном случае напряжение затвора может быть изменено устройством, которое им управляет. Хуже того, устройство, подключенное к усилителю, может быть повреждено напряжением затвора. Подумайте о подключении линейного выхода проигрывателя компакт-дисков к стереосистеме.

Реализация биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Реализация биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)

Библиотека

Simscape / Electric / Specialized Power Systems / Power Electronics

Описание

Блок IGBT реализует полупроводниковое устройство, управляемое затвором сигнал.IGBT моделируется как последовательная комбинация резистора Ron, индуктора Lon и постоянного тока. источник напряжения Vf, включенный последовательно с переключателем, управляемым логическим сигналом (g> 0 или g = 0).

БТИЗ включается, когда напряжение коллектор-эмиттер положительное и превышает Vf и a. положительный сигнал подается на вход затвора (g> 0). Отключается, когда коллектор-эмиттер напряжение положительное, и на входе затвора подается сигнал 0 (g = 0).

Устройство IGBT находится в выключенном состоянии, когда напряжение коллектор-эмиттер отрицательное.Примечание что многие коммерческие IGBT не имеют возможности обратной блокировки. Следовательно, они обычно используется с встречно-параллельным диодом.

Блок IGBT содержит демпферную цепь последовательного RS-CS, которая подключена параллельно с устройство IGBT (между клеммами C и E).

Отключающая характеристика модели IGBT аппроксимируется двумя сегментами. Когда ворота сигнал падает до 0, ток коллектора уменьшается с Imax до 0,1 Imax за время спада. (Tf), а затем от 0.1 Imax до 0 в течение хвостового времени (Tt).

Параметры

Сопротивление Ron

Внутреннее сопротивление Ron в Ом (Ом). По умолчанию 0,001 . В Сопротивление Ron Параметр не может быть установлен на 0 , когда Параметр индуктивности Lon установлен на 0.

Индуктивность Lon

Внутренняя индуктивность Lon в генри (H). По умолчанию 0 Индуктивность Lon Параметр обычно устанавливается на 0 , за исключением когда параметр Resistance Ron установлен на 0 .

Прямое напряжение Vf

Прямое напряжение устройства IGBT в вольтах (В). По умолчанию 1 .

Начальный ток Ic

Вы можете указать начальный ток, протекающий в IGBT. По умолчанию 0 .Обычно устанавливается на 0 , чтобы запустить симуляцию с заблокированным устройством.

Если для параметра Initial Current IC установлено значение больше 0 , расчет в установившемся режиме учитывает начальное состояние БТИЗ закрытого типа. Инициализация всех состояний силового электронного преобразователя — сложная задача. Поэтому этот вариант полезен только с простыми схемами.

Сопротивление демпфера Rs

Сопротивление демпфера в Ом (Ом).По умолчанию 1e5 . Установить Сопротивление демпфера Rs параметр до inf убрать демпфер с модели.

Емкость демпфера Cs

Емкость демпфера в фарадах (F). По умолчанию inf . Установить Демпферная емкость Cs Параметр до 0 до устраните демпфер или до и , чтобы получить резистивный демпфер.

Показать порт измерения

Если выбрано, добавьте выход Simulink ® к блоку, возвращающему ток и напряжение диодного IGBT.По умолчанию выбрано.

Входы и выходы

g

Сигнал Simulink для управления открытием и закрытием IGBT.

m

Выход Simulink блока — это вектор, содержащий два сигнала. Вы можете демультиплексировать эти сигналы с помощью блока Bus Selector, предоставленного в библиотеке Simulink.

Сигнал

Определение

Ед.

Напряжение IGBT

В

Допущения и ограничения

Блок IGBT реализует макромодель реального устройства IGBT.Не принимает во внимание учитывать либо геометрию устройства, либо сложные физические процессы [1].

В зависимости от значения индуктивности Lon, IGBT моделируется либо как ток источник (Lon> 0) или как схема с переменной топологией (Lon = 0). Блок IGBT не может быть соединены последовательно с катушкой индуктивности, источником тока или разомкнутой цепью, кроме демпфера цепь используется.

Индуктивность Lon принудительно устанавливается на 0, если вы выбираете дискретизацию своей схемы.

Примеры

The power_igbtconv Пример иллюстрирует использование блока IGBT в повышающем преобразователе постоянного тока. IGBT переключается включение и выключение с частотой 10 кГц для передачи энергии от источника постоянного тока к нагрузке (RC). В среднее выходное напряжение (В R ) является функцией рабочего цикла (α) Переключатель IGBT:

Ссылки

[1] Mohan, N., T.M. Унделанд и В. Роббинс, Пауэр Электроника: преобразователи, приложения и дизайн , John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1995.

Представлен до R2006a

По закону Мура | Technology Quarterly

Новые типы транзисторов могут заменить еще несколько итераций закона Мура, но они будут становиться все более дорогими.

СПАСИБО экспоненциальной силе закона Мура, электронные компоненты, на которых работают современные компьютеры, намного превосходят по численности все листья на деревьях Земли. Крис Мак, эксперт по производству микросхем, исходя из предыдущей оценки аналитической фирмы VLSI Research, считает, что только в 2015 году было выпущено около 400 миллиардов миллиардов (4х1020) транзисторов.Получается около 13 триллионов в секунду. При этом они стали невообразимо маленькими: миллионы могли поместиться на точку в конце этого предложения.

Транзистор — это своего рода переключатель. Чтобы включить его, на его затвор подается напряжение, которое позволяет току течь через канал между истоком и стоком транзистора (см. Первую схему). Когда ток не течет, транзистор выключен. Состояния включения-выключения представляют собой единицы и нули, которые являются основным языком компьютеров.

Кремний, из которого сделаны эти переключатели, является полупроводником, а это означает, что его электрические свойства находятся на полпути между свойствами проводника (в котором ток может течь легко) и изолятора (в котором он не может). Электрические характеристики полупроводника можно изменить с помощью процесса, называемого «легирование», при котором материал приправляется атомами других элементов, таких как мышьяк или бор, или путем приложения электрического поля.

В кремниевом транзисторе канал будет легирован одним материалом, а исток и сток — другим.Легирование изменяет количество энергии, необходимое для прохождения любого заряда через полупроводник, поэтому там, где два различных легированных материала примыкают друг к другу, ток не может течь. Но когда устройство включено, электрическое поле от затвора создает тонкий проводящий мостик в канале, который замыкает цепь, позволяя току течь через него.

Долгое время эта базовая конструкция работала все лучше и лучше, поскольку транзисторы становились все меньше. Но в действительно крошечных масштабах он начинает разрушаться.В современных транзисторах исток и сток расположены очень близко друг к другу, порядка 20 нм. Это вызывает утечку в канале, при этом остаточный ток течет, даже когда устройство должно быть выключено, тратя впустую мощность и выделяя нежелательное тепло.

Тепло от этого и других источников вызывает серьезные проблемы. Многие современные микросхемы должны либо работать ниже своих максимальных скоростей, либо даже периодически отключать свои части, чтобы избежать перегрева, что ограничивает их производительность.

Производители микросхем пробуют различные методы, чтобы избежать этого.Один из них, называемый напряженным кремнием, который был представлен Intel в 2004 году, включает растяжение атомов кристалла кремния дальше, чем обычно, что смазывает прохождение носителей заряда через канал, уменьшая выделяемое тепло.

В другом методе, впервые принятом в 2007 году, оксиды металлов используются для борьбы с эффектами туннелирования, квантового явления, при котором частицы (например, электроны) на одной стороне, казалось бы, непроницаемого барьера появляются на другой стороне, никогда не проходя через него. через промежуточное пространство.Разработка большего количества таких эзотерических методов может позволить производителям микросхем сокращать транзисторы немного дольше, но ненамного.

Эффект 3D

Помимо этого, потребуются два существенных изменения. Во-первых, придется кардинально изменить конструкцию транзистора. Во-вторых, промышленность должна будет найти замену кремнию, электрические свойства которого уже доведены до предела.

Одним из решений проблемы утечки тока является изменение конструкции канала и затвора.Обычно транзисторы были плоскими, но в 2012 году Intel добавила третье измерение в свои продукты. Чтобы позволить ему создавать микросхемы с разделением деталей всего на 22 нм, он переключился на транзисторы, известные как «finFET», которые имеют канал, выступающий над поверхностью кристалла. Затем ворота оборачиваются вокруг трех открытых сторон канала (см. Вторую диаграмму), что дает ему гораздо лучший контроль над тем, что происходит внутри канала. Эти новые транзисторы сложнее изготовить, но они переключаются на 37% быстрее, чем старые транзисторы того же размера, и потребляют вдвое меньше энергии.

Следующим логическим шагом, по словам г-на Снира из Аргоннской национальной лаборатории, будут транзисторы с «затвором со всех сторон», в которых канал окружен затвором со всех четырех сторон. Это обеспечивает максимальный контроль, но добавляет дополнительные этапы в производственный процесс, поскольку теперь ворота должны быть построены из нескольких секций. Крупные производители микросхем, такие как Samsung, заявили, что для создания микросхем с разницей в 5 нм могут потребоваться универсальные транзисторы — этап, которого Samsung и другие производители ожидают достичь к началу 2020-х годов.

Кроме того, могут потребоваться более экзотические решения. Одна из идей состоит в том, чтобы воспользоваться преимуществом квантового туннелирования, которое так раздражает обычные транзисторы, и которое будет только ухудшаться по мере дальнейшего сжатия транзисторов. Можно, применяя электрические поля, контролировать скорость, с которой происходит туннелирование. Низкая скорость утечки будет соответствовать 0; высокий коэффициент до 1. Первый экспериментальный туннельный транзистор был продемонстрирован командой IBM в 2004 году. С тех пор исследователи работают над их коммерциализацией.

В 2015 году группа под руководством Каустава Банерджи из Калифорнийского университета сообщила в Nature, что они построили туннельный транзистор с рабочим напряжением всего 0,1, что намного ниже 0,7 В используемых устройств, что означает гораздо меньше. нагревать. Но, по словам Грега Йерика из ARM, британского разработчика микрочипов, предстоит еще поработать, прежде чем туннельные транзисторы станут жизнеспособными: на данный момент они еще не включаются и выключаются достаточно быстро, чтобы их можно было использовать в быстрых микросхемах. Джим Грир и его коллеги из Ирландского института Тиндалла работают над другой идеей.Их устройство, называемое транзистором на основе нанопроволоки без перехода (JNT), призвано помочь с другой проблемой строительства в крошечных масштабах: правильное легирование. «В наши дни вы действительно говорите о [допировании] очень небольшого количества кремния. «Скоро вы достигнете точки, когда даже один или два неправильно расположенных атома примеси могут радикально изменить поведение вашего транзистора», — говорит доктор Грир.

Вместо этого он и его коллеги предлагают строить свои JNT всего 3 нм в поперечнике из одного вида однородно легированного кремния.Обычно в результате получается провод, а не выключатель: устройство с равномерной проводимостью, которое нельзя выключить. Но в этих крошечных масштабах электрическое влияние затвора проникает прямо через провод, поэтому сам затвор может предотвратить протекание тока, когда транзистор выключен.

В то время как обычный транзистор работает, создавая электрический мост между истоком и стоком, которые в остальном изолированы, устройство доктора Грира работает наоборот: больше похоже на шланг, в котором затвор останавливает прохождение тока.«Это настоящая нанотехнология», — говорит он. «Наш прибор работает только с такими весами. Большим преимуществом является то, что вам не нужно беспокоиться об изготовлении этих неудобных соединений ».

Разница в материалах

Производители микросхем также экспериментируют с материалами помимо кремния. В прошлом году исследовательский альянс, включающий Samsung, Global Foundries, IBM и Государственный университет Нью-Йорка, представил микрочип, состоящий из компонентов, разнесенных на 7 нм, — технологию, которая, как ожидается, появится в руках потребителей не раньше 2018 года.В нем использовалась та же конструкция FinFET, что и в микросхемах нынешнего поколения, с небольшими изменениями, но хотя большая часть устройства была построена из обычного кремния, около половины его транзисторов имели каналы из сплава кремний-германий (SiGe).

Это было выбрано, потому что это в некотором смысле лучший проводник, чем кремний. Опять же, это означает более низкое энергопотребление и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться, повышая скорость чипа. Но это не панацея, — говорит Хайке Рил, директор отдела физических наук IBM Research.Современные микросхемы построены из двух типов транзисторов. Один предназначен для проведения электронов, несущих отрицательный заряд. Другой тип предназначен для проведения «дырок», то есть мест в полупроводнике, которые могут содержать электроны, но могут не содержать; они, как оказалось, ведут себя так, как если бы они были положительно заряженными электронами. И хотя SiGe отлично переносит дырки, он гораздо хуже перемещает электроны, чем кремний.

Будущие пути к более высокой производительности в этом направлении, вероятно, потребуют как SiGe, так и другого соединения, которое перемещает электроны даже лучше, чем кремний.Материалы с наиболее благоприятными электрическими свойствами представляют собой сплавы таких элементов, как индий, галлий и арсенид, которые вместе известны как материалы III-V по месту их расположения в периодической таблице.

Проблема в том, что эти материалы плохо смешиваются с кремнием. Расстояние между атомами в их кристаллических решетках отличается от такового в кремнии, поэтому добавление их слоя к кремниевой подложке, из которой сделаны все чипы, вызывает напряжение, которое может привести к растрескиванию чипа.

Самая известная альтернатива — графен, форма углерода толщиной в один атом (и, следовательно, двумерная). Графен очень хорошо проводит электроны и дырки. Трудность в том, чтобы остановить это. Исследователи пытались обойти это, допируя, раздавливая или сжимая графен, или применяя электрические поля для изменения его электрических свойств. Некоторый прогресс был достигнут: Манчестерский университет сообщил о рабочем графеновом транзисторе в 2008 году; В 2013 году группа под руководством Гуаньсюн Лю из Калифорнийского университета построила устройства, используя свойство материала, называемое «отрицательное сопротивление».Но главное влияние графена, по словам доктора Йерика, заключалось в том, что он стимулировал интерес к другим двумерным материалам. «Графен как бы открыл коробку», — говорит он. «Теперь мы смотрим на такие вещи, как листы дисульфида молибдена, или черный фосфор, или фосфорно-борные соединения». Что особенно важно, все это, например кремний, можно легко включать и выключать.

Если все пойдет по плану, говорит д-р Йерик, новые конструкции транзисторов и новые материалы могут продлить жизнь еще на пять или шесть лет, и к этому времени расстояние между транзисторами может составлять 5 нм.Но помимо этого «у нас заканчиваются способы предотвратить потребность в чем-то действительно радикальном».

Его любимый кандидат на это — что-то под названием «спинтроника». В то время как электроника использует заряд электрона для представления информации, спинтроника использует «спин», другое внутреннее свойство электронов, которое связано с концепцией вращательной энергии, которой обладает объект. Полезно, что вращение бывает двух видов: вверх и вниз, которые можно использовать для обозначения 1 и 0. И компьютерная индустрия уже имеет некоторый опыт работы со спинтроникой: например, она используется в жестких дисках.

Исследования спинтронных транзисторов ведутся уже более 15 лет, но ни один из них еще не запущен в производство. Что интересно, напряжение, необходимое для их работы, крошечное: 10-20 милливольт, что в сотни раз ниже, чем для обычного транзистора, который решит проблему нагрева одним ударом. Но это само по себе создает проблемы с дизайном, — говорит д-р Йерик. При таких незначительных напряжениях отличить 1 или 0 от электрического шума становится сложно.

«В лаборатории относительно легко построить новый модный транзистор, — говорит аналитик Линли Гвеннап.«Но для того, чтобы заменить то, что мы делаем сегодня, вы должны иметь возможность размещать миллиарды на микросхеме по разумной цене, с высокой надежностью и почти без дефектов. Ненавижу говорить «никогда», но это очень сложно ». Это делает еще более важным поиск других способов улучшения компьютеров.

Разница между транзисторами NPN и PNP со сравнительной таблицей

Одно из основных различий между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что в транзисторе NPN ток протекает между коллектором и эмиттером, когда положительное питание подается на базу, тогда как в транзисторе PNP носитель заряда течет от эмиттера к коллектору, когда отрицательный поставка отдана на базу.Транзисторы NPN и PNP различаются ниже в сравнительной таблице с учетом различных других факторов.

NPN и PNP оба являются биполярными переходными транзисторами. Это устройства управления током, которые в основном используются для переключения и усиления сигнала. В основном, в схеме используется NPN-транзистор, потому что в NPN-транзисторе ток проводимости создается в основном электронами, в то время как в PNP-транзисторе ток проводимости возникает из-за отверстий. Поскольку электроны более подвижны, NPN имеет высокую проводимость.

Буквы PNP и NPN показывают напряжение, необходимое для эмиттера, коллектора и базы переходного транзистора. Транзисторы NPN и PNP, оба изготовлены из разного материала, из-за чего ток в них также различается. Иногда, когда на эмиттер подается напряжение, электроны пересекают базовый переход и достигают области коллектора. Это происходит потому, что база транзисторов NPN и PNP очень тонкая и слегка легированная.

Содержание: NPN против PNP транзистора

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

ПНП
Основа для сравнения Транзистор НПН Транзистор
Определение Транзистор, в котором два слоя n-типа разделены одним слоем P-типа Два блока полупроводников p-типа разделены одним тонким блоком полупроводника n-типа.
Символ
Полная форма Отрицательный Положительный и отрицательный Положительный Отрицательный и положительный
Направление тока Коллектор к эмиттеру Эмиттер к коллектору
Включение Когда электроны попадают в базу. Когда отверстия входят в основание.
Внутренний ток Развивается из-за переменного положения электронов. Возникают из-за разного положения отверстий.
Внешний ток Ток возникает из-за потока отверстий. Ток возникает из-за потока электронов.
Основной носитель заряда Электрон Отверстие
Время переключения Быстрее Медленнее
Носитель второстепенного заряда Отверстие Электрон
Положительное напряжение Клемма коллектора Клемма эмиттера
Прямое смещение Базовое соединение эмиттера Базовое соединение эмиттера
Обратно смещенный Разветвление основания коллектора Разветвление основания коллектора
Малый ток Потоки от эмиттера к базе От базы к эмиттеру
Сигнал заземления Низкий Высокий

Определение транзистора PNP

Транзистор PNP имеет два блока из материала p-типа и один блок из материала n-типа.Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттер и коллектор PNP-транзистора изготовлены из материала p-типа, а их основание — из материала n-типа.

Переход эмиттер-база PNP подключен с прямым смещением, а переход коллектор-база подключен с обратным смещением. Переход эмиттер-база подталкивает основной носитель заряда к базе, таким образом устанавливая ток эмиттера. Отверстие в материале p-типа объединяется с материалом n-типа, следовательно, составляет базовый ток.Оставшееся отверстие проходит через отрицательно смещенную область коллектор-база и собирается коллектором, из-за чего возникает ток коллектора. Таким образом, полный эмиттерный ток протекает через коллекторную цепь.

Ток эмиттера = ток коллектора + ток базы

Определение NPN-транзистора

Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем материала p-типа. Коллектор — это самая толстая область, а база — самая тонкая область NPN-транзистора.Область эмиттер-база транзистора находится под прямым смещением, а область коллекторной базы подключена с обратным смещением. Напряжение обратного смещения значительно меньше по сравнению с обратным смещением.

Переход эмиттер-база находится в прямом смещении, из-за чего большое количество электронов достигает базы. Это развивает ток эмиттера. Электрон в базовой области совмещен с дырками. Но база очень тонкая и слегка легированная, поэтому только маленькие дырки объединяются с электронами и составляют ток базы.Оставшиеся электроны проходят через область базы коллектора и развивают ток коллектора. Весь ток эмиттера протекает через коллекторную цепь.

Ток эмиттера = ток коллектора + ток базы

Ключевые различия между NPN и PNP транзистором

  1. Транзистор NPN имеет два блока полупроводниковых материалов n-типа и один блок полупроводниковых материалов p-типа, тогда как транзистор PNP имеет один тонкий слой материала p-типа и два толстых слоя материала N-типа.
  2. Обозначения транзисторов NPN и PNP почти одинаковы, единственное различие между ними — это направление стрелки, которая указывает на эмиттер. В транзисторе NPN острие стрелки движется наружу к базе, а в PNP стрелка движется внутрь.
  3. В транзисторе NPN ток течет от коллектора к эмиттеру, потому что положительное питание подается на базу, тогда как в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.
  4. Транзистор NPN включается, когда электрон входит в базу, в то время как транзистор PNP включается, когда дыры входят в базу.
  5. Внутренний ток в транзисторе NPN составляет из-за переменного положения электронов, тогда как в транзисторе PNP внутренний ток возникает из-за переменного положения отверстий.
  6. В транзисторе NPN выходной ток существует из-за потоков дырок, а в PNP он создается из-за потоков электронов.
  7. В транзисторе NPN основной носитель заряда — электрон, тогда как в транзисторе PNP основная дырка является основным носителем заряда.
  8. Неосновным носителем заряда NPN-транзистора является дырка, а в PNP-транзисторе — электроны.
  9. Время переключения NPN-транзистора больше по сравнению с PNP-транзистором, потому что основной носитель заряда NPN-транзистора — электрон.
  10. Переход эмиттер-база как NPN-, так и PNP-транзисторов имеет прямое смещение.
  11. Примечание: передний базовый переход означает, что клемма p диода подключена к положительной клемме источника питания, а материал n-типа подключен к отрицательной клемме источника питания.
  12. Коллектор-база транзистора NPN и PNP соединена с обратным смещением.
  13. Примечание. Обратное смещение означает, что отрицательная область подключена к положительной клемме источника питания, а p-область подключена к положительной клемме источника питания.
  14. Транзистор NPN включается, когда небольшой ток течет от эмиттера к базе, тогда как при включении транзистора PNP небольшой ток течет от базы к эмиттеру.
  15. Сигнал заземления PNP-транзистора поддерживается на низком уровне, тогда как в PNP-транзисторе сигнал заземления высокий.

Ключ к действию транзистора — это слаболегированная база между сильно легированным коллектором и эмиттером.

Измерительный транзистор

ft — RF Design — Cadence Blogs

Итак, давайте рассмотрим практический пример создания испытательных стендов и проведения измерений, начиная с определения характеристик транзистора. Перед тем как приступить к работе, необходимо рассмотреть несколько вопросов:

Какие параметры вы хотите измерить?
Какие типы испытательных стендов необходимы для измерения этих параметров?

Давайте начнем с рассмотрения того, как измерить ft транзистора. Ft — это стандартный показатель качества, используемый разработчиками аналоговых устройств для оценки характеристик транзистора.Позже мы рассмотрим, как измерить некоторые другие общие параметры транзистора fmax, коэффициент шума, а также стабильность устройства.

Во-первых, давайте рассмотрим значение ft. Он определяется как частота единичного усиления транзистора по току короткого замыкания. Во-первых, нам нужно измерить усиление тока короткого замыкания, чтобы в идеале выходной терминал, коллектор [сток] транзистора был подключен к источнику питания. Следующим моментом является то, что нам нужно рассчитать коэффициент усиления транзистора по току.Для пользователей Virtuoso Analog Design Environment для выполнения этого измерения можно использовать калькулятор формы сигналов Virtuoso Visualization and Analysis. Чтобы вычислить ft, постройте график коэффициента усиления по току, разделив ток коллектора [стока] на ток базы [затвора], а затем используя кросс-функцию, чтобы найти частоту единичного усиления. Пример расчета ft показан на рисунке 1.


Рисунок 1: Измерительный транзистор f t
При создании испытательного стенда имитационного моделирования естественным местом для начала является фактический измерительный испытательный стенд.Для измерения ft можно использовать анализатор радиочастотных цепей для измерения s-параметров, а затем s-параметры можно преобразовать в h-параметры. Построив h31, можно оценить ft путем экстраполяции частоты единичного усиления h31. Этот подход хорошо работает в лаборатории, потому что широкополосные шорты не существуют в реальном мире. Таким образом, радиочастотные измерения должны выполняться с согласованием входа и выхода, и s-параметры результата являются естественным методом определения характеристик транзисторов. Одной из проблем при тестировании в лаборатории является необходимость отдельных источников смещения и радиочастот.Обычно эти источники изолированы с помощью смещения T. Вместо смещения T мы будем использовать катушку индуктивности [пропускать напряжение смещения на постоянном токе] и конденсатор [пропускать вход RF на частоте].


Рисунок 2: Эмуляция настройки анализатора цепей для измерения h31
Использование лабораторного испытательного стенда вносит некоторую сложность, которая не требуется при выполнении измерения в симуляции. Испытательный стенд можно упростить, воспользовавшись преимуществом «идеального» моделирования природы. При моделировании мы можем создать идеальное короткое замыкание, используя источник напряжения.Источник напряжения обеспечивает смещение и действует как короткое замыкание, заменяя выходную согласующую схему в исходном испытательном стенде. ВЧ-вход был заменен источником тока с величиной переменного тока 1, поэтому коэффициент усиления по току можно измерить напрямую. Входное смещение по-прежнему контролируется установкой постоянного напряжения, см. Рисунок 3.

Этот испытательный стенд хорошо работает при измерении футов для одного условия смещения. Однако сложно контролировать ток смещения транзистора, как это можно сделать в лаборатории с помощью генератора смещения.

Рисунок 3: Расширенный испытательный стенд с коротким замыканием на выходе

Следующим усовершенствованием является замена источника напряжения смещения и резистора транзистором с диодным подключением и источником тока для установки тока смещения тестируемого устройства [DUT], см. Рисунок 4. Использование транзистора с диодным подключением для генерации напряжения смещения. позволяет легко контролировать ток смещения. Смещение постоянного тока и вход RF по-прежнему изолированы псевдосмещением T. Это изменение испытательного стенда позволяет разработчику определить влияние тока смещения на ft, чтобы транзистор мог работать с максимальным ft.


Рисунок 4: Улучшенный испытательный стенд ft
Еще одним усовершенствованием испытательного стенда могла бы стать замена катушки индуктивности и конденсатора, используемых в псевдосмещении-T, показанном на рисунке 5. Симулятор схемы Virtuoso Spectre предоставляет пользователю данные, зависящие от анализа. переключатели, которые можно установить в положение открытия и закрытия в зависимости от выполняемого анализа. Это позволяет разработчику использовать один и тот же испытательный стенд для выполнения нескольких тестов, например, NF, fmax и т. Д.


Рисунок 5: Использование зависимых от анализа переключателей
Испытательный стенд, который я использую для измерения ft, еще проще: в котором цепь смещения [диод, зависимые от анализа переключатели и источник ВЧ] заменена идеальным токовым зеркалом.Текущее зеркало обеспечивает обратную связь для стабилизации точки смещения. Источник тока, который устанавливает ток смещения, также является источником входного ВЧ-сигнала, смещение T устраняется. Кстати, вы можете узнать этот тип схемы, она называется токовым зеркалом Вильсона, как показано на рисунке 6.


Рисунок 6: My ft Test bench

Чтобы рассмотреть процесс разработки испытательного стенда, мы начали с репликации испытательного стенда, который мы использовали в лаборатории при моделировании. Затем испытательный стенд был оптимизирован, настроив его, чтобы воспользоваться преимуществами «идеальной» природы симулятора SPICE.Попутно мы внесли несколько улучшений в процесс измерений:

  1. Прямое измерение ft, исключая необходимость генерировать s-параметры, а затем вычислять h-параметры.

  2. Добавлена ​​возможность изменять ток смещения, чтобы можно было построить графики ft по сравнению с Ic, см. Рисунок 7.

Рисунок 7: График зависимости ft от Ic

В заключение надеюсь, что этот пример создания испытательного стенда и проведения измерений будет вам полезен.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.