А 2 Т2 С 3 Т3 F
Рис. 4.1. Ключ на биполярном транзисторе
Транзисторные ключи
Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.
Ключи на биполярных транзисторах. Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 4.1.
Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах.
До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки.
В этом режиме iк = –iб = Iко (Iко – обратный ток коллектора), iэ ≈ 0. При этом uRб ≈ uRк ≈ 0; uбэ ≈ –U2; uкэ ≈ –Ек.
В промежутке времени t1…t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения.
Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.
Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 15.6).
Рис. 4.2. Полевой транзистор с каналом p-типа
Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.
В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.
На рис. 4.2 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.
Рис. 4.2. Цифровой ключ на полевом транзисторе
На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси = Ес. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи.порог транзистора, то он открывается и напряжение uси уменьшается.
U
Т1 1
В
2’ Т2 D 3’ Т3 F
Рис. 1
Расчет для комбинации а).
Суммарная ТЭДС контура, E (показание потенциометра), равна сумме скачков ТЭДС
Е =еAB(Т1) + еBD(Т2) + еDE(Т3) + eEC(T3) + еCA(Т2). (1)
Имеются табличные данные о ТЭДС элементарного контура, который составлен из двух термоэлектродов, например, для пары (X,Z) в виде стандартной градуировки ЕXZ(Ti,0).
Приведем Е (1) к сумме элементарных контуров ЕXZ(Ti,Т3).
Из закона Вольта или Первого закона термодинамики для контура при условии Ti = T3 записываем сумму скачков потенциала:
Е =еAB(Т3)+еBD(Т3)+еDE(Т3)+eEC(T3)+еCA(Т3) = 0. (2)
Вычитаем (2) из (1)
Е= (еAB(Т1)-еAB(Т3)) + (еBD(Т2)-еBD(Т3)) + (еDE(Т3)-еDE(Т3)) + (eEC(T3)-eEC(T3)) +
+ (еCA(Т2) - еCA(Т3)) = ЕAB(T1,T3)+ЕBD(T2,T3)+ECA(T2,T3). (3)
Рис. 2. Стандартная градуировочная зависимость Exz (T,0).
а) Воспользуемся стандартной градуировкой ЕAB(Ti,0) для термоэлектородов – пары (A/B - хромель/копель):
ЕAB(T1,T3) = ЕAB(T1,0) - ЕAB(T3,0)
ЕAB(T1,0)=Ехром-коп(600;0) = 49.11 мВ
ЕAB(T3,0)=Ехром-коп(20;0) = 1.31 мВ
б) Пара B/D: копель / константан
ЕBD(T2,T3) = Екоп- конст (100;0) - Екоп- конст (20;0)
Используем нормальный электрод – платину (Pt) и табличные данные Ex-плат (T=100;0) (Буринский В.В. «Измерения и обработка результатов»).
Термопары с нормальным термоэлектродом
Рис. 2. Два контура, содержащие нормальный электрод, N = Pt.
Выразим ТЭДС контуров
EВN(Т,Т0) = eBN (T1) - eBN (T0),
ECN(Т,Т0) = eCN (T1) – eCN (T0). (4)
Рассмотрим разность ТЭДС контуров и привлечем для анализа схему (Рис. 3)
EВN(Т,Т0) - ECN(Т,Т0) = (eBN (T1) – eCN (T1)) - (eBN (T0) – eCN (T0)) =
= eBC (T1) - eBC (T0) = EВC(Т1,Т0) (5)
Рис. 3. Контур, содержащий два термопарных и один нормальный электроды, N соответствует Pt
Сделаем вывод: ТДЭС, EВC(Т1,Т0), термопары из двух электродов можно рассчитать по известным ТДЭС, EВN(Т,Т0) и ECN(Т,Т0), термопар, содержащих нормальный электрод
EВC(Т1,Т0) = EВN(Т,Т0) - ECN(Т,Т0) (6)
Екоп- конст (100;0) = Екоп- плат (100;0) - Еконст- плат (100;0) = - 3.6 - (-3.4) = - 0.2 мВ
Принимаем зависимость Екоп- конст (T;0) как линейную и вычисляем
Екоп- конст (20;0) = 0.2 Екоп- конст (100;0) = - 0.04 мВ
в) Пара: удлинительный провод (манганин)/ электрод (хромель)
ЕСA(T2,T3) = Еманг - хром (100;0) - Еманг - хром (20;0)
Используем нормальный электрод– платину (Pt) и известные табличные данные (Буринский В.В. «Измерения и обработка результатов») о ТЭДС для пары Х/ Pt , которую запишем как Ex-плат (T=100;0). Запишем
Еманг - хром (100;0) = Еманг - плат (100;0) – Ехром - плат (100;0) = 0.76 – 2.4 = - 1.64 мВ
Принимаем зависимость Еманг - хром (T;0) как линейную и вычисляем
Еманг - хром (20;0) = 0.2 Еманг - хром (100;0) = - 0.33 мВ
Подставляем компоненты в (3) и получаем итоговый результат – показание потенциометра
Е = 46.28 мВ
Расчет для комбинации б).
Термоэлектроды C и D поменяли местами и выполняем аналогичный расчет для E (вариант 2). Сравниваем полученные значения E (вариант 1) и E (вариант 2).