Лекции по "Микроэлектронике"

Найдем потребляемую от источника питания мощность для  номинального режима:

Расчет можно считать  завершенным.

 

 

ЛЕКЦИЯ 13

Ключевые схемы

 

Основная функция ключа  – замыкание нагрузки на некоторый  источник тока. Простейшим ключом является - механический. Электронный ключ, в отличие от механического,  замыкает нагрузку на источник питания под воздействие электрического сигнала, который в момент времени t приходит на управляющий электрод транзистора- базу.  Идеальный ключ должен в разомкнутом состоянии представлять бесконечно большое сопротивление, а в замкнутом положении нулевое сопротивление.

Простейшая ключевая схема, выполненная на биполярном транзисторе, показана на рисунке 39. В выходной цепи этой схеме последовательно включены источник питания Е, резистор R_к и биполярный транзистор, а выходным напряжением служит напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ. Для управления выходным током транзистора (током коллектора I_к) во входной цепи последовательно включены между базой и эмиттером источник напряжения Uб и токоограничивающий резистор R_б. Источник постоянного напряжения Е_бэ в отсутствии импульса обеспечивает режим отсечки транзистора, когда его коллекторный ток I_к минимален, а выходное напряжение U_кэ максимально («ключ» разомкнут). Импульсный источник напряжения во входной цепи выполняет функцию управляющего сигнала. С появлением на базе положительного импульсного напряжения определенной амплитуды переводит транзистор со структурой n-p-n в режим насыщения. В режиме насыщения в выходной цепи протекает максимальный ток, а выходное напряжение U_кэ становится минимальным («ключ» замкнут). В данной схеме транзистор включен по схеме с общим эмиттером, но кроме нее в ключевых схемах используют также схемы включения транзистора с общей базой и с общим коллектором.

Ток в коллекторной цепи I_к и напряжение на выходе U_кэ определяются, с одной стороны, выходными характеристиками транзистора, а, с другой стороны, нагрузочной прямой. Выходные характеристики транзистора представляют собой семейство зависимостей тока I_к от U_кэ, каждая из которых соответствует некоторому определенному постоянном току базы I_б. Используя второй закон Кирхгофа для коллекторной цепи, можно записать, что напряжение между коллектором и эмиттером равно:   

U_кэ = E - I_к*R_к                                                                   

 

 

Рисунок 39 –Схема  электронного ключа

 

В отсутствии входного импульсного  напряжения транзистор находится в  режиме отсечки, поэтому в базовой  и коллекторной цепях протекает только тепловой ток коллектора I_кбо. Но тепловой ток I_кбо коллекторного перехода мал (для маломощных транзисторов I_кбо равен единицы мкА и менее), а поэтому выходное напряжение U_кэ  ключевой схемы равно E.                                                                           

Для входной цепи по закону Кирхгофа можно записать, что 

Е_бэ = I_б* R_б + U_бэ =I_кбо* R_б + U_бэ

Для осуществления режима отсечки транзистора со структурой n-р-n необходимо, чтобы напряжение U_бэ было бы равно или меньше нуля. Отсюда определяются требования к минимальной величине напряжения источника смещения Е_бэ.min при выбранном транзисторе (I_кбо)  и резистора R_б в базовой цепи, которое должно быть

Е_бэ.min ³ I_кбо * R_б

С приходом отпирающего  импульса транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещаются в прямом направлении. Так как напряжения на р-n переходах при прямом смещении малы, то в первом приближении транзистор в режиме насыщения можно представлять в виде эквипотенциальной точки и максимальный ток коллектора, который называют током насыщения транзистора, равен

I_кн = (E- U_кэ.нас)/R_к @ E/R_к

Из этого следует, что ток насыщения транзистора не зависит от параметров транзистора, а определяется внешними параметрами ключевой схемы (Е и R_к). В режиме насыщения ток I_б базы транзистора должен быть больше некоторой величины I_бн, которую называют током насыщения базы.  Когда ток базы I_б равен току насыщения базы I_бн, то транзистор находится строго на границе активного режима - режима насыщения. В таком режиме ток коллектора связан с током базы через коэффициент усиления b, т. е. I_кн=b*I_бн. Поэтому ток насыщения базы I_бн определяется как:

I_бн = I_кн /b =  E / b* R_к

Отсюда следует 

E_бэ / R_б > E/b*R_к

 

Данное соотношение  позволяет определить величину резистора R_б, при котором обеспечивается режим насыщения транзистора при заданных источниках напряжения

R_б. £  (b* E_бэ/E)* R_к

Работу транзистора  в режиме насыщения характеризуют степенью насыщения s, под которой понимают отношение тока в базовой цепи к току насыщения базы:

s = I_б / I_бн

В реальных ключевых схемах транзисторы работают со степенью насыщения s=(1,5–3), когда полное время переключения ключевой схемы оказывается минимальным. Задаваясь степенью насыщения транзистора s и принимая во внимание разброс  величины коэффициента усиления транзистора (b_min - b_max), условие насыщения можно представить в виде:

R_б. £ (b_min/s)*[(E₁ - E_бэ)/E]* R_к

Реальная ключевая схема  работает на нагрузку, сопротивление R_н которой конечно. Величина нагрузки R_н определяет выбор резистора R_к в коллекторной цепи транзистора. Когда транзистор находится в режиме отсечки, то сопротивления R_к и R_н образуют делитель напряжения относительно напряжения источника питания. Отсюда напряжение U_н на нагрузке определяется как:

U_н = [R_н /( R_н  + R_к)] * Е

Чтобы выходное напряжение U_нэ  минимально отличалось от напряжения источника питания Е, сопротивление R_к в коллекторной цепи должно быть меньше сопротивления R_н нагрузки. Обычно его выбирают из условия:

R_к  £  0,1 R_н

Таким образом, транзистор в ключевой схеме, находясь в стационарном состоянии (ключ выключен или включен), работает либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Время переключения из одного режима в другое определяется процессами накопления и рассасывания неравновесных зарядов в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

 

ЛЕКЦИЯ 14

Выпрямители переменного  напряжения

 

Для питания электронных  приборов необходимо постоянное напряжение высокого качества. В связи с тем, что в первичной сети, как правило, действует переменное напряжение   220 В, то возникает необходимость в промежуточном устройстве, которое выполняло бы функции понижения переменного напряжения, выпрямления, фильтрации и стабилизации.

Для понижения переменного  напряжения чаще всего используются трансформаторы (бывают и бестрансформаторные схемы). С трансформатора переменное напряжение поступает на выпрямитель. Выпрямителем называется устройство для преобразования двухполярного напряжения переменного тока в однополярное пульсирующее напряжение. Выпрямители бывают трех типов: однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

На рисунке 40 представлена схема однофазного однополупериодного выпрямителя.

 

 

 

 

 

Рисунок 40 – Схема однополупериодного выпрямителя.

 

В подобной схеме с трансформатора переменное напряжение поступает на диод, который служит для выпрямления переменного тока в однополярный ток. Так как диод пропускает ток только в одном направлении, то при подобном включении он будет пропускать только положительную полуволну, как это показано на рисунке 41.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 41 – Диаграмма напряжений однополупериодного выпрямления

 

Потеря одной (отрицательной) полуволны является существенным недостатком. На рисунке 42 представлена однофазная двухполупериодная схема выпрямления переменного тока.

 

Рисунок 42 – Схема двухполупериодного выпрямления

 

На рисунке 43 представлена диаграмма выпрямленного  однополярного напряжения при двухполупериодной схеме выпрямления.

 

 

 

Рисунок 43–Диаграмма тока при двухполупериодной схеме

выпрямления

 

Однофазный  двухполупериодный выпрямитель  содержит  трансформатор, вторичная  обмотка которого состоит из 2-х  частей и 2-х полупроводниковых диодов (рис.42). Наличие средней точки  трансформатора приводит к тому, что  напряжение на каждой половине вторичной обмотки w₁ и w₂ будет приложено к каждому из диодов VD₁ и VD₂. В течение положительного, для половины обмотки w₁, полупериода диод VD₁ открывается и возникает ток в цепи этого диода,  протекающий через нагрузку. В течение отрицательного полупериода диод VD₁ закрыт, и открывается диод VD₂. В этом случае также возникает импульс тока через нагрузку.  Таким образом, в цепи нагрузки ток протекает в течение обоих полупериодов. Kоэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно меньше, чем в однополупериодной. Недостатком двухполупериодной схемы является необходимость в удвоенном количестве витков трансформатора, поэтому на практике самой распространенной схемой выпрямления является мостовая, которая представлена на рисунке 44.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 44 – Мостовая схема однофазного выпрямителя

 

Рисунок 45 – Диаграмма тока на нагрузке в мостовой схеме выпрямления

 

 В мостовой схеме выпрямления в течение положительной полуволны входного напряжения открываются диоды VD₁ и VD₃, и в цепи нагрузки возникает импульс тока.  Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD₂ и VD₄, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики,  аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме. В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему.

Сглаживающие фильтры. Напряжение после его выпрямления, как это видно на предыдущих рисунках, является пульсирующим и в подобном виде не может быть использовано в электронных функциональных устройствах. Для сглаживания (уменьшения) пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. В качестве подобных фильтров используются фильтры нижних частот, имеющие следующие схемные решения (рис.46).

Рисунок  46 –  Схемы фильтров сглаживания пульсаций  выпрямленного напряжения

 

Существует  несколько типов фильтров низших частот.

1. Емкостный фильтр (конденсатор) включается параллельно нагрузке. Для удовлетворительной работы фильтра необходимо, чтобы емкостное сопротивление фильтра Хс для основной (первой) гармоники было меньше сопротивления нагрузки (рис.46-а), т.е.,

1/ωСф << Rн                                               

 

2. Индуктивный фильтр включается последовательно с сопротивлением нагрузки (рис.46-б). Для удовлетворительного сглаживания необходимо выполнить условие:

ωLф >> Rн

Эффективность использования такого фильтра (только индуктивности) очень низка, особенно в однополупериодной схеме, т.к. постоянная составляющая там очень мала. Поэтому индуктивность используется, как правило, в составе более сложных Г-образных (рис.47-а) и П-образных (рис.47-б) фильтров. Подобные фильтры обеспечивают высокий коэффициент сглаживания                    

_,

где К_nвх - коэффициент пульсаций на входе фильтра. K_nвых -коэффициент пульсаций на выходе фильтра.                                

а-Г-образный фильтр; б- П-образный фильтр.

Рисунок 47 – Фильтры сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения

Однако, каково бы ни было качество фильтрации, в подобном виде напряжение используется крайне редко и его необходимо подвергнуть еще одной процедуре – стабилизации.

 

ЛЕКЦИЯ 15

Стабилизаторы напряжения

 

Стабилизаторы напряжения - это устройства, которые должны поддерживать постоянным выходное напряжение при изменении постоянного напряжения на входе, при изменения тока нагрузки или одновременном их изменении. Основным параметром стабилизаторов напряжений является коэффициент стабилизации, определяемый из выражения

 

По принципу действия стабилизаторы делятся на: параметрические и компенсационные, которые в свою очередь бывают   параллельными или последовательными.

Параметрические стабилизаторы  напряжения основаны на принципе использования  особенностей ВАХ стабилитрона. Стабилитрон в схемах стабилизаторов играет роль опорного (эталонного) напряжения U_ст. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рисунке 48а.