И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R_К включена в цепь коллектора транзистора.

Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа

В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.

1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I_К = I_КО » 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U_БЭ < 0. Это достигается либо при U_ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е_СМ, которое обеспечит U_Б < 0 при U_ВХ = 0.

Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р_К = U_КI_К , очень мала ток как мал ток.

2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R_.К:

I_КН = (Е_К - U_КН)/R_К » Е_К / R_К, (5.1)

так как U_КН » 0.

Режим насыщения достигается при

I_Б = I_БН = I_КН / K_I = I_КН / h_21Э. (5.2)

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h_21Э = h_{21Э min} для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию

U_ВХ/R₁ - Е_СМ / R ₂ ³ I_БН g = gI_КН / h_21Эmin (5.3)

где g - степень насыщения (g = 1,2...2).

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р_К = U_КI_К очень мала, так как мало напряжение U_КЭН. Напряжение U_КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U_КЭН << Е_К.

Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.

Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.

Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.

Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t_И называется скважностью Q_И = Т/t_И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q_И = t_И /Т.

Среднее напряжение на нагрузке

U_Н.СР = aЕ, (5.4)

где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.

Действующее значение напряжения

U_Н..Д = ÖaЕ. (5.5)

Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.

При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L_Н/R_Н.

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

- транзистор КТ808ГМ;

- набор резисторов;

- источники регулируемого напряжения;

- импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

- вольтметры и миллиамперметры;

- электронный осциллограф.