Как выглядит схема для снятия переходного процесса

В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.

Переходные процессы биполярного ключа

Процесс переключения биполярного транзистора определяется двумя факторами: процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, формирующих ток коллектора i k , и наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов C э и C к , которые перезаряжаются при переключениях. Если входное напряжение U вх равно нулю, то транзистор закрыт и ток коллектора i k равен неуправляемому току I к0 (рис. 14).

Рис.14. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток I б такой же формы. Если величина I б достаточна для ввода транзистора в насыщение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню b I б , где b – коэффициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания i k определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (C э ) и база-коллектор (C к ). Максимальное значение i k ограничено сопротивлением R k и не может превысить величины

Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток i k достигнет величины I kнас , его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет расти до величины соответствующей току I б . Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.

Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени t вкл . Уменьшение этого времени на практике достигают повышением в 1,5 — 3 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистор в насыщение.

Однако увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока I б ) продолжают поддерживать некоторое время t р коллекторный ток неизменным. Отрезок времени t р называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня I к0 .

В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения t р , и соответственно, t выкл , в целом.

Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор-база транзистора диодом Шоттки (рис. 15).

Рис. 15. Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потенциала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу ключа. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.

В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе

Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 16).

Рис. 16. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах: а – эквивалентная схема, б – временные диаграммы

При закрытом транзисторе выходная емкость C си заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение U пор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки

Читайте также:  Как выделить поля в ворде

формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении R вн источника входного сигнала U вх время задержки пренебрежимо мало.

Как только канал сформирован, емкость C си начинает разряжаться постоянным током I р , определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени t вкл . За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.

При запирании транзистора (уменьшение U вх до нуля) происходит зарядка емкости C си через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени t выкл . Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени t вкл и t выкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.

1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма — "свет") имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например,

200 тыс км/с в стекле и

3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью "Температура эфира и красные смещения"), разную скорость для разных частот (см. статью "О скорости ЭМ-волн")

2. В релятивизме "свет" есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский "свет" — это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.

3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.

4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те "подтверждающие теорию Эйнштейна факты", которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.

Переходные процессы биполярного ключа

Процесс переключения биполярного транзистора определяется двумя факторами: процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, формирующих ток коллектора i k , и наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов C э и C к , которые перезаряжаются при переключениях. Если входное напряжение U вх равно нулю, то транзистор закрыт и ток коллектора i k равен неуправляемому току I к0 (рис. 14).

Рис.14. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток I б такой же формы. Если величина I б достаточна для ввода транзистора в насыщение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню b I б , где b – коэффициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания i k определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (C э ) и база-коллектор (C к ). Максимальное значение i k ограничено сопротивлением R k и не может превысить величины

Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток i k достигнет величины I kнас , его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет расти до величины соответствующей току I б . Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.

Читайте также:  Как запустить ярлык от имени администратора

Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени t вкл . Уменьшение этого времени на практике достигают повышением в 1,5 — 3 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистор в насыщение.

Однако увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока I б ) продолжают поддерживать некоторое время t р коллекторный ток неизменным. Отрезок времени t р называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня I к0 .

В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения t р , и соответственно, t выкл , в целом.

Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор-база транзистора диодом Шоттки (рис. 15).

Рис. 15. Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потенциала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу ключа. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.

В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе

Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 16).

Рис. 16. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах: а – эквивалентная схема, б – временные диаграммы

При закрытом транзисторе выходная емкость C си заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение U пор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки

формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении R вн источника входного сигнала U вх время задержки пренебрежимо мало.

Как только канал сформирован, емкость C си начинает разряжаться постоянным током I р , определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени t вкл . За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.

При запирании транзистора (уменьшение U вх до нуля) происходит зарядка емкости C си через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени t выкл . Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени t вкл и t выкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.

Переходные процессы не являются чем-то необычным и характерны не только для электрических цепей. Можно привести ряд примеров из разных областей физики и техники, где случаются такого рода явления.

Переходным режимом (или переходным процессом) называется режим, возникающий в электрической цепи при переходе от одного стационарного состояния к другому, чем-либо отличающемуся от предыдущего, а сопутствующие этому режиму напряжения и токи — переходными напряжениями и токами. Изменение стационарного режима цепи может происходить в результате изменения внешних сигналов, в том числе включения или отключения источника внешнего воздействия, или может быть вызвано переключениями внутри самой цепи.

Любое изменение в электрической цепи, приводящее к возникновению переходного процесса называют коммутацией. В большинстве случаев теоретически допустимо считать, что коммутация осуществляется мгновенно, т.е. различные переключения в цепи происходят без затраты времени. Процесс коммутации на схемах условно показывается стрелкой возле выключателя.

Читайте также:  Как найти умный телевизор

Переходные процессы в реальных цепях являются быстропротекающими. Их продолжительность составляет десятые, сотые, а часто и миллионные доли секунды. Сравнительно редко длительность этих процессов достигает единицы секунды.

Естественно возникает вопрос, надо ли вообще принимать во внимание переходные режимы, имеющие столь короткую длительность. Ответ может быть дан только для каждого конкретного случая, так как в различных условиях роль их неодинакова. Особенно велико их значение в устройствах, предназначенных для усиления, формирования и преобразования импульсных сигналов, когда длительность воздействующих на электрическую цепь сигналов соизмерима с продолжительностью переходных режимов.

Переходные процессы являются причиной искажения формы импульсов при прохождении их через линейные цепи. Расчет и анализ устройств автоматики, где происходит непрерывная смена состояния электрических цепей, немыслим без учета переходных режимов.

В ряде устройств возникновение переходных процессов, в принципе, нежелательно и опасно. Расчет переходных режимов в этих случаях позволяет определить возможные перенапряжения и увеличения токов, которые во много раз могут превышать напряжения и токи стационарного режима. Это особенно важно для цепей со значительной индуктивностью или большой емкостью.

Возникновение переходных процессов связано с особенностями изменения запасов энергии в реактивных элементах цепи. Количество энергии, накапливаемой в магнитном поле катушки с индуктивностью L, в которой протекает ток iL, выражается формулой: WL = 1/2 (LiL 2 )

Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора емкостью С, заряженного до напряжения uC, равна: WC = 1/2 (CuC 2 )

Поскольку запас магнитной энергии WL определяется током в катушке iL, а электрической энергии WC — напряжением на конденсаторе uC, то во всех электрических цепях три любых коммутациях соблюдаются два основных положения: ток катушки и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. Иногда эти положения формулируются иначе, а именно: потокосцепление катушки и заряд конденсатора могут изменяться только плавно, без скачков.

Переходные процессы в электрических цепях с двумя накопителями энергии. Короткое замыкание цепи RLC. Апериодический и колебательный режимы.

В данном случае электрическая цепь после коммутации содержит два реактивных элемента — индуктивность и емкость. Это означает, что дифференциальное уравнение цепи должно иметь второй порядок и поэтому должны быть определены два независимых начальных условия. До коммутации цепь находилась в состоянии покоя, что соответствует нулевым начальным условиям: uC(0+) = uC(0) = 0; i(0+) = i(0) = 0.

Напряжение на резисторе uR(t) и напряжение на индуктивности uL(t) выразим через uC(t):

.

Полученное уравнение является линейным дифференциальным неоднородным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами.

Для определения свободной составляющей записываем соответствующее характеристическое уравнение LCp 2 + Rcp + 1 = 0 и определяем его корни:

где введены следующие обозначения: a = R / 2L — коэффициент затухания; w = 1/ Ö LC — резонансная частота контура. Далее записываем выражение для свободной составляющей

.

Вынужденную составляющую решения определим как установившееся значение напряжения на емкости в режиме постоянного тока в цепи после коммутации.

Из уравнения по второму закону Кирхгофа получим uCуст = uCвын = U. Таким образом, полное решение для напряжения

Выражение для тока необходимо для определения постоянных интегрирования. Используя нулевые начальные условия, при t = 0 получим: uC(0+) = A1 + A2 + U = 0; i(0+) = CA1p1 + CA2p2 = 0. Решение этой системы уравнений дает выражения для постоянных интегрирования:

Апериодический режим.

Условие a > w , как нетрудно убедиться, эквивалентно соотношениям: R > 2r и Q 0,5 корни (1.27) характеристического уравнения будут комплексными p1,2 =- a ± j = — a ± jw k , где w k = — угловая частота свободных затухающих колебаний. При подстановке этих корней в (1.29) и (1.30) получим

Далее, используя формулы Эйлера для экспонент с мнимыми показателями, окончательно найдем:

Качественный график полученной функции напряжения на емкости показан на рис. 1.27.

При малых потерях в контуре (R

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10568 — | 7327 — или читать все.

78.85.5.224 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Adblock
detector