Материал: Методика розрахунку електронного ключа на польових транзисторах

Рисунок 1.7 - Схема паралельного включення польових транзисторів

При цьому необхідно використовувати транзистори з близькими значеннями порогових напруг і встановлювати в ланцюзі затвора опору, покликані зменшити взаємний вплив транзисторів один на одного при виключенні.

.4 Розробка методики розрахунку ключа на польових транзисторах

Розробимо методику розрахунку двотактного ключа (рис 1.9).

Рисунок 1.9 - Схема ключа для розрахунку

Початкові параметри:

·        напруга живлення Е_с;

·        резистор стоку R_c;

·        струм насичення стоку в увімкненому стані I_c.нас.;

·        крутизна характеристики польового транзистора S;

·        напруга стік-витік U_св;

·        ємність навантаження С_н;

·        вхідна напруга рівня логічної одиниці U₁;

·        порогова напруга U₀.

Розраховуємо струм насичення стоку за формулою:

 (1.5)

Залишкове падіння напруги на транзисторі у увімкненому стані:

 (1.6)

Розсіювана потужність на транзисторі у увімкненому стані:

 (1.7)

Обираємо польовий транзистор виходячи з умов:

 (1.8)

Для збільшення швидкості перемикання ключа значення ємностей   транзистора повинні бути якомога менші.

5 Якщо на вхід подається рівень логічного нуля, тобто виконується умова

 (1.9)

то у схемі на рис. 1.9 транзистор VT закритий. Падіння напруги на транзисторі:

 (1.10)

Вихідний опір ключа визначається за формулою

 (1.11)

Якщо на вхід подається рівень логічної одиниці, тобто виконується умова

 (1.12)

то транзистори VT (рис 1.9) відкритий. При цьому вихідний опір ключа визначається

 (1.12)

де  - опір стік-витік у відкритому стані транзистора VТ1 (береться з довідників).

Вихідна напруга у увімкненому стані:

 (1.13)

Вихідна ємність визначається за формулою:

 (1.14)

де С_м - ємність монтажу (С_м=10 пФ).

Тривалість увімкнення ключа визначається за формулою:

 (1.15)

Тривалість викнення ключа визначається за формулою:

 (1.16)

2. РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНОГО КАСКАДУ

·        коефіцієнт підсилення по напрузі K_U=27,

·        напруга на навантаженні U_н=17 (В),

·        опір навантаження R_н=1700 (Ом),

·        нижня гранична частота f_н=90 (Гц),

·        верхня гранична частота f_в=20003,5 (Гц).

1. Виходячи з умов отримання максимального коефіцієнта корисної дії підсилювального каскаду приймаємо величину опору в ланцюзі колектора R_К рівною опору навантаження:

 (2.1)

. Знаходимо амплітудне значення колекторної напруги за формулою (2.2):

 (2.2)

. Розраховуємо струм спокою колектора за формулою (2.3):

 (2.3)

. Визначаємо величину мінімальної напруги джерела живлення за формулою (2.4):

 (2.4)

Вибираємо найближче значення E_ж з ряду стандартних величин так, щоб виконувалася умова (2.5):

 (2.5)

. Обчислюємо значення максимального струму колектора за формулою (2.6):

 (2.6)

. Знаходимо потужність на навантаженні за формулою (2.7):

 (2.7)

. Проводимо оцінку потужності, що розсіюється на колекторі транзистора за формулою (2.8):

 (2.8)

. Користуючись довідником [8], вибираємо тип біполярного транзистора. Як критерій вибору використовуємо співвідношення (2.9):

 (2.9)

де: _к.max - максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторному переході транзистора;

- максимально допустима постійна напруга колектор - емітер;_к.max - максимально допустимий постійний струм колектора;_гр - гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі із загальним емітером.

Виходячи з вище наведених нерівностей обираємо транзистор КТ704Б (n-p-n) для якого умови (2.9) виконуються

_21е.min - мінімальне значення статичного коефіцієнта передачі біполярного транзистора в режимі малого сигналу в схемі із загальним емітером;

. Розраховуємо опір резистора в ланцюзі емітера за формулою (2.10):

 (2.10)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_Е = 270 (Ом).

. Визначаємо значення струму спокою бази транзистора за формулою:

 (2.11)

. Розраховуємо опори резистивного дільника, для чого вибираємо струм дільника I_д, що протікає по опорах R_Б1 і R_Б2 за формулою (2.12):

 (2.12)

Знаходимо напругу спокою бази за формулою (2.13):

 (2.13)

де,

DU_е - падіння напруги на емітерному переході DU_е = 0,45…0,6 (В); _е.п - падіння напруги в ланцюзі емітера, визначається за формулою (2.14):

 (2.14)

Визначаємо величину опору R_б2 за формулою (2.15):

 (2.15)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_б2 = 2,0 (кОм).

Визначаємо величину опору R_б1 за формулою (2.16):

 (2.16)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_б1 = 18 (кОм).

. Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду за формулою (2.17):

 (2.17)

де, R_кн - опір каскаду за змінним струмом, визначається за формулою (2.18):

 (2.18)

. Знаходимо значення ємностей розділових конденсаторів за формулою (2.19):

 (2.19)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення C_р1 = 27 (мкФ). 14. Обчислюємо значення ємності шунтуючого конденсатора в ланцюзі емітера за формулою (2.20):

 (2.20)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення C_е = 100 (мкФ).

. Визначаємо потужність, споживану каскадом від джерела живлення за формулою (2.21):

 (2.21)

. Обчислюємо коефіцієнт корисної дії каскаду за формулою (2.22):

 (2.22)

Результати розрахунку елементів підсилювача за схемою з загальним емітером наведено в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Результати розрахунку підсилювача

Проведемо моделювання схеми за допомогою програми Orcad. Схема моделювання подана на рисунку 2.1. Результат моделювання подано на рисунку 2.2.

Рисунок 2.1 -Схема моделювання схеми підсилювача

Рисунок 2.2 - Результати моделювання схеми підсилювача

Виконавши по розрахунковим даним схемотехнічне моделювання ми отримали графік, розходження якого з розрахованим по коефіцієнту підсилення не перевищує 10%. Розходження можна пояснити тим, що моделювання проводилося з аналогом транзистора КТ704Б, а не з самим транзистором. Отже можна стверджувати, що розрахунок був зроблений вірно. Результати розрахунків наведені в таблиці 2.1.

3. РОЗРАХУНОК ГЕНЕРАТОРІВ ІМПУЛЬСНИХ СИГНАЛІВ

3.1 Розрахунок одновібратора

·        амплітуда вихідного імпульсу U_m2 = 17 (В);

·        тривалість вихідного імпульсу t_і = 134 (мкс);

·        період проходження імпульсів запуску Т = 184 (мкс);

·        діапазон зміни температур (-50…+60) °С;

·        допустима нестабільність тривалості імпульсу =5,5 (%).

1. По тривалості і періоду визначаємо шпаруватість вихідних імпульсів за формулою (3.1):

 (3.1)

. Вибираємо напруга джерела живлення, яка повинна бути в 1,2...1,3 разу більше амплітуди вихідного імпульсу за формулою (3.2):

 (3.2)

Обираємо стандартне значення Е_ж=21 (В).

3. По напрузі джерела і початковим даним вибираємо тип транзистора.

Виходячи з умови (3.3), вибирається транзистор.

електронний ключ транзистор синхронний

 (3.3)

Оберемо транзистор КТ361Г (p-n-p) [8], у якого Е_кдоп = 60 > 2·21.

Запишемо необхідні параметри транзистора:

. Знаходимо тепловий струм колектора за формулою (3.4):

 (3.4)

де t₀ - початкова температура, приймається для нормальних умов рівною 20 °С. 5. Опір в колі бази визначаємо напругою джерела, тепловим струмом і заданою нестабільністю імпульсу за формулою (3.5):

 (3.5)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_б = 200 (кОм).

. Опір в колекторному ланцюзі транзистора VT₂ визначаємо за відомим опором в базовому колі і мінімальному для даних умов коефіцієнту підсилення. Для стійкої роботи _дно вібратора при розрахунку повинна виконуватися умова (3.6).

 (3.6)

де β_min - коефіцієнт підсилення при мінімальній температурі мінус 50 °С. Він складає 60 % середнього значення і визначається за формулою (3.7)

 (3.7)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_K2 = 2,4 (кОм).

. Розрахуємо опір в колекторному колі транзистора VT₁ за формулою (3.8).

 (3.8)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_K1= 3,6 (кОм)

. Визначимо опір в колі емітера за формулою (3.9).

 (3.9)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R_е = 560 (Ом).

. Розрахуємо опори подільника напруги R₁ і R₂, що встановлюють величину напруги зсуву на базі VT₁ та визначають положення робочої точки транзистора і початковий стан одно вібратора, за формулами (3.10) і (3.11).

 (3.10)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R₁ = 68 (кОм).

 (3.11)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення R₂ = 15 (кОм).

. Ємність конденсатора С_б залежить від багатьох параметрів і визначається за формулою (3.12).

 (3.12)

Коефіцієнт ά визначає співвідношення опорів в ланцюзі колектора транзистора VT₁, і визначається за формулою (3.13).

 (3.13)

При середньому положенні регулятора напруги коефіцієнт ά =1.

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення ємності конденсатора базового кола VT₂ С_б = 1 (нФ).

. Замикаюча напруга транзистора VT₁ визначається за формулою (3.14).

 (3.14)

12. Амплітуда напруги запускаючого імпульсу, що подається на вхід транзистора VT₁ одновібратора, визначається за формулою (3.15).

 (3.15)

де R_г - внутрішній опір генератора запускаючих імпульсів, приймається рівним 0,51 (кОм); R_з - опір запускаючого транзистора у відкритому положенні, приймається рівним 51 (Ом).

Проведемо моделювання отриманої схеми у програмі Orcad. Схема моделювання подана на рисунку 3.1. Результати моделювання подано на рисунку 3.2. Результати розрахунку елементів одновібратора наведено в таблиці 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема моделювання схеми одновібратора

Рисунок 3.2 - Результати моделювання схеми одновібратора