С чего все начиналось
Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.
Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.
Базовая схема транзисторного ключа
А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:
Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже
В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!
Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉
И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.
Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:
Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.
Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ
Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.
Диодные ключи.
В диодных ключах используется зависимость сопротивления диода от величины и знака приложенного напряжения.
Известно, что ток диода определяется выражением: 
26 мВ при 298К – температурный потенциал, m – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных токов утечки германиевых, и генерации-рекомбинации в p-n переходах кремниевых диодов (
– 1.2…1.5, 
– 1.2…2). Тепловой ток диода практически не зависит от приложенного к диоду напряжения и определяется электрофизическими свойствами полупроводника и температурой его нагрева 
, где 
– константа, определяемая материалом полупроводника и концентрациями примесей, Uк – контактная разность потенциалов. С учетом активного сопротивления р и n областей активное сопротивление диода равно: При достаточно больших напряжениях 
Эквивалентная схема диода представлена на рис.1. Инерционность ключа определяется процессами накопления неосновных носителей в области p-n перехода, емкостью p-n перехода, емкостью между выводами и индуктивностью выводов. Основным справочным параметром, определяющим быстродействие диода, является время восстановления обратного сопротивления.
rуm – сопротивление утечки;
С0 – емкость между выводами диода;
L – индуктивность выводов;
СД – диффузионная емкость p-n перехода при прямом смещении;
СБ – барьерная емкость p-n перехода при обратном смещении
Рис.1 Эквивалентная схема диода
На основе диодных ключей можно строить различные логические элементы (рис.2).
Рисунок 2 – Пример логических схем на основе диодных ключей
Электронные ключи на основе диодов являются пассивными структурами, что приводит к ослаблению сигнала при прохождении таких ключей, что особенно заметно при построении многоступенчатых структур.
Инерционность диодных ключей обусловлена накоплением неосновных носителей в области p-n перехода, емкостью p-n перехода, емкостью и индуктивностью выводов. Кроме перечисленных параметров, имеют значение также индуктивность и емкость нагрузки, а также монтажные емкости.
В справочниках на дискретные диоды чаще всего указывается время обратного восстановления (восстановления обратного сопротивления), обусловленное диффузионным движением неосновных носителей. Для уменьшения этого времени могут использоваться создание ловушек, способствующих рекомбинации неосновных носителей или создание неоднородной концентрации примесей (диоды с накоплением заряда). Диодные ключи чаще всего используются в качестве вспомогательных узлов в цифровой и аналоговой технике.
Общие сведения об электронных ключах.
В настоящее время наметилась вполне определенная тенденция к отказу от чисто аналоговых схем и переходу к цифровым с широким применением микропроцессорной техники. Цифровая обработка сигналов дает широкие преимущества в смысле гибкости решений, технологичности конструкций, экономии энергопотребления.
Технические реализации цифровых схем, в которых сигналы представлены дискретно квантованными уровнями напряжения (тока), основаны на использовании электронных коммутаторов напряжения (тока), называемых электронными ключами. В качестве нелинейных приборов с управляемым сопротивлением в электронных ключах используются полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, фототранзисторы, тиристоры, оптроны, электронные лампы.
Аналогично механическим ключам (рубильникам), естественно характеризовать электронный ключ сопротивлением в открытом и закрытом состоянии, предельными значениями коммутируемого тока и напряжения, временными параметрами, описывающими скорость переключения из одного состояния в другое.
Следует различать аналоговые электронные ключи, предназначенные для передачи аналогового сигнала с минимальными искажениями, и цифровые ключи, обеспечивающие формирование бинарных сигналов. Аналоговые ключи лежат в основе всевозможных коммутаторов сигналов, нашедших широкое применение в технике аналого-цифрового преобразования.
Несмотря на сходство в функциональном плане между цифровыми и аналоговыми ключами, требования к последним существенно отличаются от требований к цифровым ключам, что приводит совершенно к другим соображениям, по которым следует разрабатывать аналоговые ключи.
По типу электронные ключи можно разделить на:
- функциональные, осуществляющие преобразование входной логической переменной в выходную логическую переменную. Преобразование может вестись с затуханием – функциональный пассивный элемент (рис. а) и с усилением, когда выходная логическая переменная y черпает энергию от z. z – функциональный активный элемент (рис. б);
- логические, осуществляющие преобразование (сравнение) нескольких входных логических переменных в одну, являющуюся функцией этих входных логических (рис. в).
Применение транзисторного ключа в связке с мк
Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:
В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.
Расчет транзисторного ключа
Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:
Для начала можно найти ток базы:
IБ – это базовый ток, в Амперах
kНАС– коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.
IK– коллекторный ток, в Амперах
Ну а дальше дело за малым
Это самый простой расчет без всяких заморочек.
Расчет электронного ключа – коммуникации и связь – ecpexpert.ru
4.4 Расчет электронного ключа
В качестве ключа выбирается следующая схема:
Рисунок 9 – Схема электронного ключа
Rн =0,5 к Ом, Uвых =10В.
Iк=Uвых/Rн=10/500=50mА
По справочнику ищем транзистор, который выдержит заданный ток коллектора (0,05А). Транзистор КТ315А держит постоянный ток до 0,1 А.
Из справочника – h21э, для КТ315А
h21э=30.
Считаем базовый ток Iб=Ik/h21э=0.05/30≈ 1,67 mA, на базу надо подводить ток не ниже 167 мкА.
R14 – согласующее сопротивление между компаратором DD3 и транзистором VT2. Выберем R16 = 200 Ом.
Rвых=R15=500 Ом по заданию, из ряда выбираем 510 Ом. на выходе необходимо получить 10 В, тогда рассчитаем величину резистора R14
(Uпит-Uвых)/R14=Uвых/R15,
откуда R14=2R15/10=102 Ом, из стандартного ряда выбираем номинал 100 Ом. Рассеиваемая мощность 10В*1.25mA≈0,0125 Вт
Таблица 4. Параметры выбранного транзистора КТ315А
| Структура: | NPN |
| Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В: | 25 |
| Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс),В: | 25 |
| Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В: | – |
| Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А): | 0.1 |
| Статический коэффициент передачи тока h21э мин: | 30 |
| Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц: | 250.00 |
| Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт): | 0.15 |
| Корпус: | KT-13 |
| Производитель: | Россия |
5. Моделирование схемы
Выходной сигнал с генератор треугольных импульсов:
Выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов:
Моделируемый сигнал:
Процесс модуляции:
Период выходного сигнала:
Наименьшая длительность импульса:
Длительность должна быть равна 5,12 мкс. По графику видно, что она составляет 5,56мкс.
Наибольшая длительность импульса:
Длительность импульса должна составлять 97,37мкс. По графику видно, что она равна 97,74 мкс.
Заключение
В данной курсовой работе разработали принципиальную схему и произвели расчет схемы Широтно-Импульсного модулятора. На вход устройства ШИМ подается синусоида с частотой согласно заданию – 200 Гц, на выходе имеем преобразованный ШИМ сигнал, амплитуда которого 10 В. Диапазон изменения относительной длительности выходных импульсов данного ШИМ составляет – 0.05 ÷ 0.95. Разработанный широтно-импульсный модулятор является достаточно простым. Моделирование схемы производили с помощью пакета CircuitMaker.
Список использованной литературы
1. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые резонаторы: справочное пособие. М.:Радио и связь, 1984.-232с., ил.
2. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. шестое. М.: Мир, 2001.
3. Лекционный курс по ЭЦиМС (преподаватель Андреев И.Б.).
4. Цифровые КМОП микросхемы, справочник, Партала О.Н. – СПб: Наука и техника, 2001. – 400 стр. с ил.
5. Л. Лабутин, Кварцевые резонаторы. – Радио, 1975, №3.
6. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. В. Стрижов ,Схемотехника, 2000, № 2, стр. 28
7. Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. – М.: Высш. Школа, 1982. – 496с., ил.
§
4.2 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения
В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения выбирается схема на рисунке 5.
Рассматриваемый ГЛИН выполнен на базе интегратора напряжения (DD2, RC- цепь, источник питания U1), управляемого генератором прямоугольных импульсов и источника питания U1. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величиной сопротивления нагрузки и напряжением питания.
Когда линейно изменяющееся напряжение Uc(t) на выходе интегратора достигнет значения напряжения срабатывания, происходит подача сигнала управления, под действием которого ключевой транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор. Далее процесс повторяется с периодом:
T≈R6C
Задаемся частотой раной 9,6 кГц.
Напряжение Ucm целесообразно выбирать минимальным, чтобы исключить влияние разброса параметров используемых резисторов на коэффициент нелинейности формируемого напряжения.[7]
Максимальное напряжение на конденсаторе связано с длительностью зависимостью
t
Выбираем U1 = 5В, U2=0В, тогда Ucm = 5В.
Выбираем R6 = R5 = 10 кОм,тогда С3 = 96нФ.
Исходя из следующего, найдем R9.
Uвых = 10 В, тогда:R9= Ucmax*R6/ Uвых = 5*10000/10≈ 2 кОм , берем ближайшее по номиналу
R9 = R10 =2 кОм
В качестве ОУ DD3 выбран 140УД7. Питание ±10В.
4.3 Выбор компаратора
В качестве компаратора DD4 используется 521СА3 для обеспечения стабильной работы ШИМ. Технические характеристики аналогового компаратора 521СА3
Аналог LM111
Входной ток не более 100 нА
Коэффициент усиления не менее 200000
Ток нагрузки до 50 мА
Питание 5… 30 или ±3…±15 В
Области применения
Детекторы пересечения нуля
Детекторы перенапряжений
Широтно-импульсные модуляторы
Прецизионные выпрямители
Аналого-цифровые преобразователи
Резистор R12 в сочетании с диодами D1 и D2 ограничивает размах входного сигнала. Благодаря диодам в ограничиваем размах входного напряжения значениями -12,6 В до 12,6 В, условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода типа КД510А это значение составляет – 50 В).
Таблица 3 Параметры выбранного транзистора
§
3.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения
Этот блок представляет собой генератор треугольного напряжения. В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (ε<0,0) и слабым влиянием нагрузки на форму выходного напряжения создаются с использованием операционных усилителей. [7]
В частности, распространены генераторы на основе интегратора, управляемого входным импульсом напряжения прямоугольной формы. Элементами схемы являются источник питания, зарядный резистор R6, конденсатор С3 и разрядный транзистор VT1. Выходное напряжение генератора представляет собой, усиленное операционным усилителем, напряжение на конденсаторе. ОУ охвачен отрицательной (R5 и R9) и положительной (резистор R10) обратными связями.
Рисунок 3 – ГЛИН
Генератор работает следующим образом. В момент, когда полевой транзистор VT1 закрыт, происходит заряд конденсатора С3 через резисторы R10 и R7. Как только мы подаем импульс на VT1, происходит разряд конденсатора этот полевой транзистор. [3]
3.3 Компаратор
Данный блок представляет собой компаратор, суть работы которого заключается в сравнении двух входящих сигналов, и получении на выходе импульсов различной длительности. На отрицательный вход подаётся опорный сигнал, т.е. «треугольные импульсы», а на положительный – сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте треугольных импульсов. Ту часть периода, которую входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль.
Рисунок 4 – Компаратор
3.4 Электронный ключ
Для получения на выходе импульсов нужной амплитуды используем транзистор VT2 и элемент «И-НЕ» DD5. Резистор R13 ограничивает ток на вход базы транзистора. Резистор R15 является нагрузкой.
Рисунок 5 – Схема электронного ключа
4. Расчётная часть и выбор элементов схемы
4.1 Расчет генератора импульсов
На рисунке 6 показан генератор, со стоящий из активного элемента – инвертора – и пассивного элемента – кварцевого резонатора.
Рисунок 6 – Кварцевый генератор
Вместо одного инвертора можно поставить любое нечетное количество инверторов.
Рисунок 7 – Эквивалентная схема замещения
Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 7.
Генератор Пирса – одна из наиболее популярных схем. Она является основой практически всех генераторов на одном вентиле. Кварц ведет себя как большая индуктивность, так как он подключен параллельно. Роль нагрузки на выход резонатора играют конденсаторы C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 играют роль нагрузочной емкости кварцевого резонатора.
В качестве резонатора выбираем кварцевый резонатор: KX-49 номинальная частота которого – 2.4576 МГц. В таблице 2 приведены параметры кварцевого резонатора.
Таблица 2 Параметры KX-49
СL | R1 | C0 | F |
| 30пФ | 200 Ом | 7пФ | 2,4576 МГц |
Резистор R1 предназначен для автоматического запуска генератора при включении питания. Этот же элемент определяет коэффициент усиления инвертора, и чем больше будет этот коэффициент усиления, тем более прямоугольные колебания будут формироваться на его выходе, а это, в свою очередь, приведёт к снижению тока, потребляемого кварцевым генератором. Выберем номинал резистора R1 равным 1Мом.
Резистор R2 увеличивает импеданс цепи, с тем чтобы вместе с конденсатором C2 увеличить фазовый сдвиг. Это нужно для того, чтобы генератор заработал на нужной, а не на большей частоте. Резистор также изолирует выход инвертора от цепи резонатора и этим сохраняет прямоугольную форму импульса. Номинал резистора должен быть примерно равен импедансу нагрузки ZL, который можно вычислить по приведенной формуле: [6]
Импульсы с частотой f=2,4576 МГц поступают на счетчик ИЕ16, с Q7 выхода счетчика получаем импульсы с частотой f / 256=9.6 кГц.
Транзисторный ключ
Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах.
Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:
Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки.
Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.
Условия для работы транзисторного ключа
Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:
1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.
2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.
Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.
Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.
