Исследование работы транзистора в ключевом режиме

План-конспект

занятия по дисциплине ОП.04 «Электроника и микропроцессорная техника»

Преподаватель: Федотова Айыына Николаевна

Группа: ТЭПС-18

Время: 1 час 30 мин

Тема раздела: Электронные приборы

Тема занятия: Исследование работы транзистора в ключевом режиме

Методы обучения: Лабораторный метод

Тип занятия: Урок закрепления знаний

Вид занятия: Лабораторная работа

Цель занятия:

Обучающая: ознакомиться с основными свойствами и параметрами транзистора, способом его управления.

Развивающая: развивать умение анализировать, сравнивать, обобщать, делать выводы. Развивать техническое мышление обучающихся, память, точность в расчётах.

Воспитывающая цель: воспитывать дисциплину, аккуратность, добросовестность, ответственность за точность расчётов.

Оборудование к уроку:

- комплект учебно-лабораторного оборудования «ЭЦОЭ-СКМ-2»

Наглядно-дидактические материалы:

1. Методические рекомендации по проведению лабораторных работ

2. М.А.Жаворонков, А.В.Кузин.-4-е изд., испр. – М. : Издательский центр «Академия», 2011.-400 с. – (Сер. Бакалавриат)

3. Немцов М.В. Электротехника и электроника. М.: Издательский центр «Академия», 2012

Ход урока

Общие правила техники безопасности при выполнении лабораторной работы.

До начала работы на стендах студенты проходят инструктаж по технике безопасности и в последующем строго выполняют установленные правила:

1. Во время сборки электрических схем необходимо следить за тем, чтобы провода были плотно зажаты зажимами. Соединения проводов без зажимов должны быть изолированы. По возможности следует избегать пересечений монтажных проводов.

2. Электропитание к собранной схеме можно подключать только после разрешения преподавателя.

3. Категорически запрещается прикасаться голыми руками к металлическим зажимам, деталям, неизолированным проводам, когда цепь находится под напряжением.

4. Наличие напряжения на зажимах приборов или элементов схем следует проверять измерительным прибором, имеющим соединительные провода со щупами и изолированными ручками.

5. Запрещается производить какие-либо переключения цепи, когда она находится под напряжением. Всякие изменения в схеме производятся только с разрешения преподавателя, и после различных переключений она проверяется преподавателем.

6. Необходимо следить за тем, чтобы во время работы случайно не коснуться вращающихся частей электрических машин.

7. Следует проявлять осторожность при работе с обесточенными цепями, в которых включены конденсаторы и конденсаторные батареи.

8. При возникновении во время работы неисправностей в учебной установке, оборудовании или приборах, следует немедленно выключить напряжение питания и сообщить о неисправности преподавателю.

9. Запрещается оставлять под напряжением учебную схему и приборы.

Несоблюдение правил техники безопасности опасно для жизни и может привести к несчастным случаям.

Пострадавшим от тока должна быть оказана немедленная помощь. Необходимо как можно быстрее освободить пострадавшего от тока, для чего следует отключить установку, дать полный покой, расстегнуть пояс и одежду, обеспечить приток свежего воздуха, дать понюхать нашатырный спирт. Если пострадавший не подает признаков жизни, следует применять приемы искусственного дыхания. Во всех случаях поражения током следует вызвать врача.

Студенты, не выполняющие правила работы, лишаются права пользования лабораторией.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«Исследование работы транзистора в ключевом режиме»

1. Цель работы:

• закрепление теоретических знаний о физических процессах, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в ключевом режиме, знакомство с транзисторными элементами логических схем.

Оборудование: мультиметры, источники постоянного напряжения (2 шт. по 12 В), наборное поле; минимодули: резистор 1 кОм – 2шт, 680 Ом, потенциометр 10 кОм; биполярный транзистор КТ817 и КТ315.

Правила техники безопасности: Общие правила техники безопасности при выполнении лабораторной работы.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Работа транзистора в ключевом режиме

Ключ коммутирует (включает и выключает) участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном – весьма большим сопротивлением.

В отличие от усилительных схем транзистор ключа работает в нелинейном режиме: с некоторых их значений базового напряжения U_б ток его коллектора перестает изменяться вслед за U_б.

Ключ устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.

На рисунке 1,а изображена схема параллельного ключа. Когда под действием управляющего напряжения U_упр транзистор запрет (выключен), нагрузка R_Н через резистор R_K подключена к источнику питания E_К. Если управляющим напряжением обеспечивается насыщение (выключение) транзистора, нагрузка оказывается зашунтированной его незначительным сопротивлением и напряжение на ней близко к нулю.

Рис. 1

На рисунке 1,б приведена схема последовательного ключа. При включенном транзисторе нагрузка R_Н подключается к напряжению U_вх, при выключенном – это связь обрывается. Данный ключ будет нормально работать при U_вх 0. Ключевые свойства транзистора не являются идеальными (R_вкл ≠ 0, R_вык ≠ ∞). Поэтому для повышения эффективности коммутации иногда осуществляют одновременно последовательным и параллельным ключами. При этом для подключения нагрузки транзистор последовательного ключа включается, а транзистор параллельного ключа выключается. Для отключение нагрузки состояния транзисторов изменяются на противоположные.

Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, определяемое временем переключения.

Ключи используются не только по прямому назначению, но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.

2.2 Ключи на биполярных транзисторов

В ключевом Каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером. Именно этот вариант имеется в виду при рассмотрении стационарных и переходных режимов ключей на биполярных транзисторах.

Стационарные состояния ключа.

Ключевой каскад, рисунок 2,а, может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном (транзистор заперт).

Режим насыщения возникает при положительном управляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток I_б удовлетворяет условию:

I_б β ≥ I_кн

где β – коэффициент усиления базового тока; I_кн – ток насыщения коллектора.

При насыщении транзистора I_к = I_кн ≈ Е_к/R_к, U_кн = Е_к - I_кн R_н ≈ 0.

Режим отсечки, (транзистор заперт) возникает при отрицательном управляющем напряжении, если он обеспечивает запирание эмиттерного перехода (U_бэ ≤ 0). Так как в рассматриваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из неё обратный ток коллекторного перехода (I_ко), указанное условие запишем в виде

U_упр + I_{ко max} R_б ≤ 0

где U_упр – абсолютное значение отрицательного управляющего напряжения; I_{ко max} – значение обратного тока при максимальной рабочей температуре.

В режиме отсечки I_к = I_ко ≈ 0, U_к = Е_к - I_ко R_k ≈ Е_к.

Рис.2

3. Задания и порядок работы

1. На наборном поле с помощью минимодулей соберите цепь согласно схеме (рис.3). для измерений токов и напряжений приборы подключайте поочередно.

2. Медленно увеличивая ток базы I_б резистором R₁ от 0 до состояния насыщения транзистора, измерьте соответствующие значения напряжений и токов: I_б, U_упр, I_k, U_вых и занесите их в таблицу 1.

Рис.3

Таблица 1

1. Зафиксируйте параметры, когда транзистор откроется, и когда войдет в состояние насыщения.

2. Выполните это исследование в обратном порядке и зафиксируйте параметры, когда транзистор закроется.

Примечание: характеристики транзистора изменяются в ходе работы из-за нагрева.

1. Постройте графики U_вых (U_вх), выбрав соответствующие масштабы.

2. Определите величину управляющего сигнала U_вх и I_вх для срабатывания транзисторного ключа, если условно принять за пороги переключения напряжения: 1) верхний – 0,9 U и нижний -0,1 U; 2) верхний – 0,8 U и нижний – 0,2 U. Занесите эти данные в таблицу 1.

4. Контрольные вопросы по лабораторной работе:

1. Как работает транзисторный ключ?

2. Какими основными параметрами характеризуется транзисторный ключ?

3. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?

4. Как зависят параметры переходных процессов от насыщения?

5. Что такое инверсное запирание транзисторного ключа?

6. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры транзисторного ключа?

7. Что такое «динамические потери» транзисторного ключа?

8. Опишите методы снижения динамических потерь.

5. Содержание отчета по лабораторной работе

1. Тема лабораторной работы

2. Цель работы

3. План работы

4. Выполненные расчеты

5. Построенные входные и выходные характеристики

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Вывод (сопоставление данных опытов и расчетов, объяснение полученных расхождений).

Домашнее задание: ответить на контрольные вопросы по лабораторной работе