Короткі теоретичні відомості

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Тема: Діодні та транзисторні ключі.

Мета: Дослідити принцип дії, основні властивості та характеристики діодних та транзисторних ключів (ДК та ТК). Ознайомитись із основними параметрами цих пристроїв та областю їх застосування.

Короткі теоретичні відомості

Діодні ключі. Загальні відомості

Електронні ключі (ЕК) використовують в імпульсній техніці для комутації сигналів у різних електричних ланцюгах. Вони входять до складу багатьох імпульсних схем, що працюють в режимах переключення струмів чи напруг. Найбільш часто в ЕК використовують діоди, транзистори або тиристори. Останні застосовуються в основному у виконавчих елементах пристроїв автоматики і керування.

Комутуюча дія діодних ключів (ДК) основана на використанні нелінійних (вентильних) властивостей діодів. Для побудови діодних ключів частіше використовують напівпровідникові діоди, що мають у прямому напрямку дуже малий опір , а в зворотному – дуже великий . В залежності від способу включення діода відносно опору навантаження діодні ключі поділяють на послідовні і паралельні.

 

Послідовні діодні ключі

У схемі послідовного діодного ключа (рисунок 35, а) опір навантаження включений послідовно з діодом.

При подачі на вхід ключа додатної вхідної напруги діод відкривається і, якщо знехтувати малим падінням напруги на відкритому діоді, напруга на виході стане рівною напрузі на вході.

Рисунок 35 – Послідовний діодний ключ: а – схема послідовного діодного ключа; б – передатна характеристика

При дії на вході ключа від’ємної вхідної напруги діод закривається і напруга на виході близька до нуля, оскільки коли діод закритий, він все ж таки пропускає невелику напругу. Це виникає через те, що опір на закритому діоді фактично не може дорівнювати нескінченності (рисунок 35,б).

Будемо вважати, що прямий опір діода , зворотний опір діода , опір навантаження , а внутрішній опір джерела вхідного сигналу

Вихідна напруга зв'язана з вхідною як

(63)

де

Значення a – кута нахилу передатної характеристики ключа до осі абсцис, залежить від стану діода.

Якщо VD – відкритий, то його опір , а

Якщо VD – закритий, то його опір , а

Якщо змінити полярність включення діода (рисунок 36,а), то графік функції повернеться на 180° (рисунок 36,б).

Рисунок 36 – Послідовний діодний ключ: а – схема послідовного діодного ключа; б – передатна характеристика

Напруга, при якій ключ відкривається, називається пороговою _. В розглянутих схемах ця напруга дорівнює нулю.

Для зміни нульового порога спрацьовування в схему вводять додаткове джерело напруги зсуву (рисунок 37).

Величина і полярність включення цієї напруги визначають моменти відкривання діода, а, отже, вид передатної характеристики ключа. На рисунку 37 приведені різні варіанти включення діода та в схемах послідовних діодних ключів і їх передатні характеристики. Для правильної роботи цих схем необхідне виконання умов:

 

Рисунок 37 – Схеми послідовних діодних ключів та їх передатні характеристики

Паралельні діодні ключі

В схемі паралельного діодного ключа (рисунок 38) опір навантаження включається паралельно з діодом.

Внутрішній опір джерела і опір навантаження на рисунку 39 не показані, тому що вважаємо, що

 

Рисунок 38 – Паралельний діодний ключ: а – схема паралельного діодного ключа; б – передатна характеристика

При подачі на вхід ключа додатної напруги діод відкривається і напруга на ньому, а, отже, на виході близька до нуля.

Все збільшення вхідної напруги, що викликає зміну струму у вхідному ланцюзі, падає на баластному опорі . При надходженні від`ємної вхідної напруги діод закривається і напруга на виході стає рівною напрузі на вході (рисунок 41,б).

Вихідна напруга ключа зв'язана з вхідною залежністю:

(64)

де

Значення залежить від стану діода. Якщо VD – відкритий , то . Якщо VD – закритий , а .

При зміні полярності включення діода, графік функції повернеться на 180° (рисунок 39).

Рисунок 39 – Паралельний діодний ключ: а – схема паралельного діодного ключа; б – його передатна характеристика

В схемах паралельних ключів (рисунок 39, 40) порогова напруга . На рисунку 41 показані різні варіанти включення діода і джерела зсуву , що змінює порогову напругу в паралельних діодних ключах, і їх передатні характеристики. Для правильної роботи схем (рисунок 6) повинно виконуватися наступне:

Вираз для визначення напруги на виході паралельних ключів (рисунок 42) можна одержати аналогічно прикладу, розглянутому вище при аналізі послідовного діодного ключа.

Застосування послідовного (рисунок 35,а) чи паралельного діодного ключа (рисунок 43,а) ілюструє рисунок 41.

Рисунок 40 – Схеми паралельних ДК та їх передатні характеристики

Рисунок 41 – Застосування діодного ключа

Даний приклад показує одне з можливих застосувань діодного ключа – передачу в навантаження вхідного додатного імпульсу і блокування від`ємного.

Діодні ключі часто застосовуються в обмежувачах амплітуди імпульсів.

Транзисторні ключі

Як електронні ключі в імпульсній техніці широко застосовуються транзисторні ключі на біполярних і польових транзисторах. Дія транзисторних ключів (ТК) базується на властивості транзистора мати малий опір в увімкнутому стані і великий – у вимкнутому. На відміну від транзисторів, які застосовуються в підсилювачах, транзистор у транзисторному ключі працює в ключовому режимі, використовуючи нелінійні ділянки ВАХ транзистора. Транзистор установлюється послідовно з комутуючою ділянкою електричного ланцюга або параллельно йому.

Схеми на лабораторну роботу

3.2.1 Схема 1. Послідовний діодний ключ

Приклад зібраної схеми у середовищі MicroCap 9: lab3_1.cir

Параметри схеми:

D1 (Diode):

1) Model = 1N4148;

V1 (Sine Source):

2) F = <номер бригади> * 100 [Hz].

3) A = <номер бригади> [V]

R1 (Resistor):

4) Value = 1k [Ohm];

R2 (Resistor):

5) Value = 100k [Ohm];

На першому графіку ми бачимо перехідну характеристику діода.

Рисунок 50 – Графік залежності вихідної напруги від вхідної V_out(V_in)

Різниця між вхідною та вихідною напругами на рисунку 51 пояснюється тим, що послідовний діодний ключ пропускає тільки додатні напруги, а при від’ємних закривається. Деяка різниця між амплітудою вхідної та вихідної напруг зумовлена наявністю невеликого падіння напруги на відкритому ДК. Амплітуда графіка залежить від значення A, вказаного в завданні.

Результат досліду:

Рисунок 51 – Перехідна характеристика V_in(t), V_out(t)

3.2.2 Схема 2. Послідовний діодний ключ зі зміщенням

Приклад зібраної схеми у середовищі MicroCap 9: lab3_2.cir

Параметри схеми:

D1 (Diode):

1) Model = 1N4148;

V1 (Sine Source):

2) F = <номер бригади> * 100 [Hz].

3) A = <номер бригади> * 2 [V]

V2 (Battery)

4) Value = <номер бригади> [V];

R1 (Resistor):

5) Value = 1k [Ohm];

R2 (Resistor):

6) Value = 100k [Ohm];

Результат досліду:

Рисунок 52 – Графік залежності вихідної напруги від вхідної V_out(V_in)

На рисунку 52 ми бачимо перехідну характеристику діода.

Рисунок 53 – Перехідна характеристика V_in(t), V_out(t)

На схемі послідовного ключа діод ввімкнений в ланцюг у зворотньому напрямі та наявна напруга зсуву Езс = 3 B, через що діодний ключ закривається при додатній напрузі 3В.

3.2.3 Схема 3. Паралельний діодний ключ

Приклад зібраної схеми у середовищі MicroCap 9: lab3_3.cir

Параметри схеми:

D1 (Diode):

1) Model = 1N456;

V1 (Sine Source):

2) F = <номер бригади> * 100 [Hz].

3) A = <номер бригади> [V]

R1 (Resistor):

4) Value = 1k [Ohm];

R2 (Resistor):

5) Value = 100k [Ohm];

 

Результат досліду:

Рисунок 54 – Графік залежності вихідної напруги від вхідної V_out(V_in)

Перший графік ілюструє передатну характеристику паралельного ДК: при подачі на вхід ключа додатної напруги діод відкривається і напруга на ньому, а, отже, на виході близька до нуля.

Рисунок 55 – Перехідна характеристика V_in(t), V_out(t)

На другому графіку зображена залежність між вхідною та вихідною напругами паралельного ДК в залежності від часу. При надходженні від`ємної вхідної напруги діод закривається і напруга на виході стає рівною напрузі на вході.

3.2.4 Схема 4. Паралельний діодний ключ зі зміщенням

Приклад зібраної схеми у середовищі MicroCap 9: lab3_4.cir

Параметри схеми:

D1 (Diode):

1) Model = 1N4148;

V1 (Sine Source):

2) F = <номер бригади> * 100 [Hz].

3) A = <номер бригади> * 2[V]

V2 (Battery)

4) Value = <номер бригади> [V];

R1 (Resistor):

5) Value = 1k [Ohm];

R2 (Resistor):

6) Value = 100k [Ohm];

Результат досліду:

Рисунок 56 - Графік залежності вихідної напруги від вхідної V_out(V_in)

На рисунку 56 приведена характеристика паралельного діодного ключа зі зміщенням. Вигляд характеристики зумовлений зворотним включенням діода та наявністю напруги зсуву.

Рисунок 57 – Перехідна характеристика V_in(t), V_out(t)

Характеристика, приведена на рисунку 57, пояснюється наступним чином: вона така ж сама, як на рисунку 55, але перегорнута на 180º через зворотнє включення діода та піднята вгору на величину напруги зсуву Езс.

Порядок виконання роботи

2) Схема 1. Дослідження перехідних та часових характеристик послідовного ДК;

a. Зняти та проаналізувати перехідну характеристику для послідовного ДК. Приклад характеристики наведений на рисунку 50;

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг від часу послідовного ДК. Приклад характеристики наведений на рисунку 51.

3) Схема 2. Дослідження перехідних та часових характеристик послідовного ДК зі зміщенням;

a. Зняти та проаналізувати перехідну характеристику для послідовного ДК зі зміщенням. Приклад характеристики наведений на рисунку 52;

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг від часу послідовного ДК зі зміщенням. Приклад характеристики наведений на рисунку 53.

4) Схема 3. Дослідження перехідних та часових характеристик паралельного ДК;

a. Зняти та проаналізувати перехідну характеристику для паралельного ДК. Приклад характеристики наведений на рисунку 54;

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг від часу паралельного ДК. Приклад характеристики наведений на рисунку 55.

5) Схема 4. Дослідження перехідних та часових характеристик паралельного ДК зі зміщенням;

a. Зняти та проаналізувати перехідну характеристику для паралельного ДК зі зміщенням. Приклад характеристики наведений на рисунку 56;

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг від часу паралельного ДК зі зміщенням. Приклад характеристики наведений на рисунку 57.

6) Схема 5. Дослідження часових характеристик ТК на базі NPN-транзистору включеного за схемою зі спільним емітером;

a. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг та струму бази від часу для зібраної схеми ТК. Приклад характеристик наведений на рисунку 58.

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг та струму бази від часу для зібраної схеми ТК з прискорюючим конденсатором. Приклад характеристик наведений на рисунку 58.

7) Схема 6. Дослідження часових характеристик ТК на базі PNP-транзистору включеного за схемою зі спільним емітером;

a. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг та струму бази від часу для зібраної схеми ТК. Приклад характеристик наведений на рисунку 59.

b. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг та струму бази від часу для зібраної схеми ТК з прискорюючим конденсатором. Приклад характеристик наведений на рисунку 59.

8) Схема 7. Дослідження часових характеристик ТК на базі NPN-транзистору включеного за схемою з прискорюючим конденсатором та без нього;

a. Зняти та проаналізувати залежність вхідної/вихідної напруг та струму бази від часу для зібраної схеми ТК з прискорюючим конденсатором та без нього. Приклад характеристик наведений на рисунку 60.

9) Схема 8. Дослідити схему відкритого транзисторного ключа (закритого в вихідному стані, при 0 В на вході).

a. Зібрати схему підсилювача на базі NPN-транзистора включеного за схемою з СЕ.

b. Зняти та проаналізувати залежність вихідної від вхідної напруг у схемі від часу.

10) Схема 9. Дослідити схему закритого транзисторного ключа (відкритого в вихідному стані, при 0 В на вході).

a. Зібрати схему підсилювача на базі NPN-транзистора включеного за схемою з СЕ.

b. Зняти та проаналізувати залежність вихідної від вхідної напруг у схемі від часу.

3.4 Контрольні питання

1. Дати визначення діодного ключа(ДК) та навести області його застосування.

2. Яка напруга називається пороговою? Опишіть перехідну характеристику послідовного ДК.

3. Різновиди та сфери застосування ОП.

4. Вивести формулу для обчислення коефіцієнта підсилення інвертуючого та неінвертуючого ОП.

5. Як визначити вхідний імпеданс для інвертуючого ОП? Назвіть основні переваги та недоліки інвертуючого ОП.

6. Як правильно налаштувати неінвертуючий ОП для підсилення змінного струму?

7. Дати характеристики інтегратора та диференціатора.

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Тема: Діодні та транзисторні ключі.

Мета: Дослідити принцип дії, основні властивості та характеристики діодних та транзисторних ключів (ДК та ТК). Ознайомитись із основними параметрами цих пристроїв та областю їх застосування.

Короткі теоретичні відомості