Электроника учебное пособие

На интервале формирования фронта коллекторного тока (t2...t3) то-

ки электродов транзистора довольно значительны. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. Данный интервал определяется двумя процессами: перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода и накоплением избыточного заряда в области базы. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе. Данное изменение можно охарактеризовать его нарастанием по экспоненциальному закону. А следовательно, Uк = Eк − Iк Rк уменьшается также по экспоненциальному закону.

На интервале накопления заряда (t3...t4) продолжается накопление неравновесных носителей электрического заряда. Но при этом напряжение Uкэ незначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается до величины тока насыщения.

Переходный процесс завершается, когда заряд, накопленный в базе, достигает граничного значения, определяемого заданным током коллектора.

Процессы выключения. Предположим, что биполярный транзистор первоначально находился в состоянии насыщения и в момент t = t0 на управляющем входе электронного ключа формируется отрицательный перепад напряжения с нулевой длительностью среза. Тогда переходный процесс при выключении транзистора можно разбить на три интервала (рис. 10.10): интервал рассасывания избыточного базового заряда tрас ; ин-

тервал формирования спада коллекторного тока tсп ; интервал установления запертого состояния tуст .

На интервале рассасывания (t1 = t2) ток базы отрицательный и ограничивается резистором Rб Iб ≈ −(U2 / Rб ). На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей заряда, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. На данном интервале относительно нагрузки биполярный транзистор продолжает находиться во включенном состоянии, так как его коллекторный ток практически постоянен. Поэтому интервал tрас определяет задержку выключения бипо-

лярного транзистора.

111

Выходные характеристики транзистора для прямого и инверсного включения в области, близкой к началу координат, изображены на рис. 10.11, б.

Через Uвх обозначено входное напряжение, которое в зависимости от управляющего сигнала Uупр подается или не подается на нагрузку Rн . Напряжение Uвх может быть как положительным, так и отрицательным. Если Uвх > 0, то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как и цифровой ключ с постоянным напряжением питания. Если Uвх < 0, то транзистор работает в инверсном режиме.

Рис. 10.11. Последовательная схема аналогового ключа (а) и выходные характеристики (б)

Недостаток биполярного транзистора при его использовании в аналоговых ключах в том, что выходные характеристики не проходят через начало координат. Вследствие этого ток Iк и напряжение Uвых будут равны нулю не тогда, когда Uвх = 0, а при некотором положительном входном напряжении (U = 10 ... 100 мВ). Это напряжение называется остаточным, или напряжением смещения. В этой связи в аналоговых ключах обычно используются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они способны коммутировать слабые сигналы (единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

113

Контрольные вопросы

1.Что такое схема коммутации?

2.Какие различают разновидности схем коммутации? Каковы их особенности?

3.Что такое электронный ключ?

4.Какие требования предъявляют к работе электронных ключей?

5.Какие статические характеристики схем коммутации существуют? Что они показывают?

6.Поясните принцип работы последовательного диодного ключа.

7.Чем определяются инерционные свойства диодного ключа?

8.В чем заключается отличие работы цифровых и аналоговых электронных ключей?

9.Каков принцип работы цифрового ключа на биполярном транзи-

сторе?

10.Поясните принцип работы аналогового ключа на биполярном транзисторе.

Глава 11. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

При анализе работы радиоэлектронных схем всегда предполагается наличие источника питания, т. е. устройства, на выходных клеммах которого обеспечивалось требуемое постоянное напряжение и считалось возможным "забрать" от этого источника ток нужной величины. Исходя из этого, можно дать самое общее определение источника питания: источником питания (ИП) называется устройство, обеспечивающее необходимое напряжение и ток при заданной нагрузке.

Источники питания делятся на два класса: первичные и вторичные. Первичным считается источник питания, в котором электрическая энергия получается в результате химической реакции (например, гальванические батареи), поглощения световой (солнечные батареи) или тепловой энергии

114

и т.д. Если же в источнике электрический ток одного рода преобразуется в электрический ток другого рода, то такой ИП называется вторичным. Чаще всего во вторичных ИП (ИВП) происходит преобразование переменного тока в постоянный, а точнее в пульсирующий. Иногда требуется преобразовать постоянное напряжение одной величины в напряжение другой величины. Для этой операции также используются ИВП.

В качестве первичных источников электропитания для электронных устройств и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного или постоянного тока.

Практика показывает, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем ограничены. Причина этого заключается в том, что современные устройства выполняются с использованием интегральных схем, требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (±5...±15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ±(5...10) %. В ряде случаев стабильность напряжения должна быть существенно выше.

Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, не отвечают этим требованиям. Это обусловлено следующими причинами:

1)несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя (в сети формируется напряжение с частотой 50 Гц, в ЭУ, как правило, используется постоянное напряжение с частотой, равной нулю);

2)несовпадением уровней напряжения (в промышленной сети значение действующего напряжения равно 220 В или 380 В, напряжение аккумуляторной батареи 12 В, это не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования ИС);

3)несовпадением стабильности напряжений, ибо промышленная

сеть допускает статические отклонения напряжения в диапазоне +15 %...-20 %, а напряжение аккумуляторной батареи может изменяться от 7,5 до 15 В, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС.

115

Следует дополнительно отметить, что в общем случае колебания напряжения питания должны рассматриваться в качестве внешнего возмущения, воздействующего на работу ЭУ в целом. Как было рассмотрено ранее на примере усилительных устройств, изменение напряжения питания сильно влияет на их технические характеристики. Следствием изменения напряжения питания являются изменение рабочей точки, уровень вносимых искажений, суммарная мощность рассеивания. Кроме того, максимальное значение напряжения питания ограничено предельно допустимыми параметрами используемой элементной базы.

Все перечисленные выше доводы, обусловливают необходимость применения специального ЭУ, согласующего частоты, уровни и стабильность напряжений, необходимых для питания отдельных узлов ЭС. Роль такого ЭУ выполняют источники вторичного питания, реализующие вторичное преобразование электрической энергии.

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых, как правило, может быть разбито на три основные группы: устройства согласования частоты, уровня и стабильности напряжения.

Устройства согласования частоты в зависимости от вида преобра-

зуемой энергии подразделяются на два основных класса: выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в пульсирующее напряжение и инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное с заданной формой и частотой.

Устройства согласования уровней напряжения предназначаются для преобразования как постоянного, так и переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня.

Устройства согласования стабильности напряжения могут быть разбиты на два основных класса: сглаживающие фильтры – устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения (тока), и стабилизаторы – устройства, стабилизирующие среднее значение выходного напряжения, тока или мощности.

Независимо от функции, конкретного назначения и требований почти все ИВП строятся по функциональной схеме, представленной на рис. 11.1. Трансформатор в схеме ИВП необходим для получения на его вторичной обмотке нужного напряжения.

116

Следует отметить, что с точки зрения конечного результата – согласования параметров напряжения, последовательность включения указанных блоков может быть произвольной и определяться дополнительными требованиями к ИВП, а также используемыми схемотехническими решениями отдельных блоков.

Независимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений ИВП характеризуется рядом электрических параметров. К основным из них относятся следующие:

1) номинальные уровни входного Uвх. ном и выходного напряжений

Uвых. ном .

2)Предельные отклонения входного и выходного напряжений от

номинальных значений. Иногда их называют относительными изменениями или коэффициентом нестабильности напряжения

δU '= (U max − Uном )100% ,

Uном

δU '= (Umin − Uном )100% .

Uном

Вряде случаев при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки и напряжения питания

δUвых (Iн ) = Uвых (Iн )100%,

Uвых. ном

δUвых (Uвх ) = Uвых (Uвх )100% ,

Uвых. ном

117

где Uвых (Iн ) и Uвых (Uвх ) – соответственно абсолютные изменения выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки и входного напряжения.

Иногда величину δUвых (Uвх ) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

3)Диапазон изменения выходной мощности Pн max – Pн min .

4)Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного Um вх и выходного Um вых напряжений. На практике эту величину за-

дают в виде коэффициента пульсаций

ε = Umi ,

Uном

где Umi – амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения (амплитуда основной гармоники).

5) Выходное сопротивление ИВП для переменных токов.

Кроме перечисленных характеристик, могут использоваться и дополнительные требования, определяющие электрические и конструктивнотопологические параметры ИВП. Рассмотрим основные функциональные блоки ИВП.

§11.1. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Вмаломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры:

а) среднее значение выходного напряжения Uвых

1 T

Uср = T ò0Uвыхdt ,

118

действующее значение напряжения переменного тока имеет следующий вид: Uср = 2Uвх / π .

2. Среднее значение тока в нагрузке

1 π

Iср = 2π ò0 Im sinωtdt ≈ Im / π ,

где Im – амплитуда выпрямленного тока. 3. Коэффициент пульсации.

Рассмотрим спектральный состав выпрямленного напряжения

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, в связи с чем находит ограниченное применение.

Недостатки:

∙высокий уровень пульсаций;

∙присутствие постоянной составляющей тока во входной цепи;

∙подмагничивание сердечника трансформаторов.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель. Параметры вы-

ходного напряжения выпрямителя могут быть существенно улучшены, если ток нагрузки будет протекать в течение обоих полупериодов действия входного напряжения. Этого можно добиться, используя две схемы однополупериодного выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки, обеспечивающим формирование двух источников первичного напряжения:

120