РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

В диодном ключе переход из одного состояния в другое происходит под действием непосредственно коммутируемого анодного напряжения. а под действием управляющего напряжения uупр транзистор закрыт его сопротивление велико нагрузка Rн через резистор Rк подключается к источнику питания Ек который является по существу источником входного электрического сигнала. При открытом транзисторе через нагрузку включенной последовательно с источником входного напряжения каким является ЕК протекает ток. Графическое определение режимов биполярного...

2015-01-16

91.56 KB

21 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

1. Общие сведения о работе полупроводниковых приборов

в ключевом режиме

Ключевыми схемами обеспечивается коммутация электрических цепей и с их помощью, в частности, могут формироваться импульсные сигналы. Эти схемы могут пребывать в двух состояниях: включенном и выключенном. В двух состояниях пребывают также используемые в них полупроводниковые приборы: в одном состоянии их сопротивление очень мало, а в другом – весьма велико. В таких схемах широкое применение получили как диоды, так и транзисторы. В диодном ключе переход из одного состояния в другое происходит под действием непосредственно коммутируемого (анодного) напряжения. Транзисторные ключи, в отличие от диодных, являются управляемыми. Состояния, в которых они пребывают, определяются не коммутирующим напряжением, а напряжением управления.

В зависимости от расположения в ключевой схеме полупроводникового прибора и нагрузки различаются последовательное и параллельное построения этих схем. Так, в выпрямителях используется последовательное построение ключевых диодных схем. Схема параллельного диодного ключа приведена на рис. 4.1. В такой схеме ток через нагрузку протекает при закрытом состоянии диода, а при открытом состоянии диод шунтирует нагрузку.

Рисунок 4.1. Схема параллельного диодного ключа

Рис. 4.2 иллюстрирует параллельное и последовательное построения ключевых схем на биполярном транзисторе. При параллельном построении (рис. 4.2.а) под действием управляющего напряжения uупр транзистор закрыт (его сопротивление велико), нагрузка Rн через резистор Rк подключается к источнику питания Ек, который является, по существу, источником входного электрического сигнала. При открытом состоянии транзистора его сопротивление становится незначительным, и он шунтирует нагрузку. В результате снимаемое с нагрузки выходное напряжение  uвых близко к нулю.

На схеме рис. 4.2,б транзистор и нагрузка Rн включены последовательно. При открытом транзисторе через нагрузку, включенной последовательно с источником входного напряжения, каким является ЕК протекает ток. При закрытом транзисторе ток в этой цепи не протекает, таким образом нагрузка отключается от источника входного сигнала.

Рисунок 4.2. Варианты построения ключевых схем

на биполярном транзисторе:

а – параллельное, б -  последовательное

Основными параметрами ключевой схемы, кроме сопротивления использованных в них приборов в открытом и закрытом состояниях, являются также быстродействие, определяемое временами переключения из одного состояния в другое, а также остаточное напряжение в открытом состоянии. В идеальном ключе значения этих параметров равны нулю. Такая идеализация, в частности, принимается при построении временных диаграмм, иллюстрирующих работу выпрямителей и логических устройств.

2. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме

Широко используемая ключевая схема на биполярном транзисторе типа n-p-n, прерывающая протекание тока через нагрузку, приведена на рис. 4.3. В отличие от схемы рис. 4.2,б, в цепь управления введено балластное сопротивление RБ. Режим работы транзистора в этой схеме определяется уравнением состояния, имеющий вид, аналогичный (2.3).

                                      Uкэ(Iк) = Е - Iк Rн,                                          (4.1)

где Uкэ и Iк – напряжение коллектор-эмиттер и коллекторный ток транзистора. При этом напряжение коллектор-эмиттер является функцией коллекторного тока. Графическое решение этого уравнения, проводимого также, как и уравнения (2.3), представлено на рис. 4.4, где точки «а» и «б» соответствуют пребыванию транзистора в закрытом и открытом состояниях.

Рисунок 4.3.  Ключевая схема на биполярном транзисторе

Рисунок 4.4. Графическое определение режимов

биполярного транзистора в ключевой схеме:

а – в закрытом состоянии, б – в открытом состоянии

Закрытое состояние транзистора достигается подачей на его базу управляющего напряжения отрицательной полярности. В этом состоянии в эмиттерной цепи ток отсутствует, а ток коллектора, Iк зак, соответствующий IБ = 0, будет протекать через базу. Цепь протекания тока Iк зак показана на рис. 4.3. Его направление в базовой цепи противоположно направлению базового тока открытого прибора. Транзисторы, предназначенные для работы в ключевом режиме, характеризуются практически нулевой величиной коллекторного тока, соответствующего IБ = 0, в результате достигается весьма высокое их сопротивление в закрытом состоянии.

Открытое состояние транзистора достигается подачей на базу положительного напряжения, величина которого обеспечивает превышение определенного значения базового тока IБ отк, соответствующего точке «б» на рис.4.4, при которой открывается коллекторный переход. При токе IБ отк через транзистор и резистор Rн протекает ток

Iк отк = (Е - ∆Uкэ отк)/Rн,

где Uкэ отк – падение напряжения на открытом транзисторе (остаточное напряжение), величина которого должна быть минимальной.

Для обеспечения надежного пребывания транзистора в открытом состоянии, при котором устраняется влияние помех в цепи управления и температурных уходов параметров транзистора, ток базы должен превышать величину IБ отк. Параметром, характеризующим величину превышения базового тока в таком состоянии над током IБ отк, является отношение

s = ,

называемое коэффициентом насыщения транзистора. Его величина обычно находится в пределах от 1,5 до 2,5. Ограничение сверху коэффициента s связано с увеличением мощности входной цепи транзистора. В открытом состоянии величина падения напряжения Uкэ отк остается практически неизменной, поскольку все вольт-амперные характеристики выходной цепи биполярного транзистора при IБ > IБ отк  проходят через точку «б» рис. 4.4.

Величина коллекторного тока в точке «б» может быть определена как

                                        Iк отк = βст IБ отк,                                         (4.2)

где βст – статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Тогда ток базы в открытом состоянии транзистора

                                             IБ = s                                              (4.3)

зависит от значений параметров цепи управления

                                     IБ = (UупрUБЭ) / RБ.                                   (4.4)

Для работы в режиме электронного ключа наибольшее применение получили кремневые транзисторы типа  n-p-n, характеризующиеся малой величиной нулевого тока. Закрытое состояние таких транзисторов может быть осуществлено даже при  Uупр = 0, т.е. без использования дополнительного источника запирающего напряжения, который для германиевых транзисторов необходим.

3. Переходные процессы в диодном ключе

В полупроводниковом диоде ток, в основном, обусловлен переносом дырок через p-n переход. Установлению стационарного режима протекания тока при подаче положительного анодного напряжения предшествует процесс накопления дырок в n-слое, т.е. неосновных носителей заряда для этого слоя. Данный процесс происходит в течение определенного времени. При снятии анодного напряжения имеет место процесс постепенного рассасывания неосновных носителей заряда в n-слое, которые находились в этом слое при стационарном режиме. Кроме того, на длительность процесса перехода из закрытого состояния в открытое и наоборот оказывает влияние перезаряд барьерной емкости p-n перехода. Таким образом, смена состояний диода, а, следовательно, и диодного ключа, сопровождается переходным процессом.

В разделе 4.4. будут достаточно подробно рассмотрены переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе, которые во многом аналогичны процессам в диодном ключе. Поэтому здесь имеет смысл ограничиться качественным рассмотрением процессов в диодном ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса положительной полярности. Рассмотрение иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рис. 4.5. Считается, что подаваемый на вход ключа, а, следовательно, на анод диода импульс имеет бесконечно малую длительность фронтов (см. рис. 4.5.а).

С момента t1 подачи анодного напряжения происходит экспоненциальное увеличение во времени анодного тока (см. рис. 4.5.б) до  тех пор, пока объем заряда неосновных носителей в n-слое диода не достигнет величины

Qg = Ia τg,

где Ia – величина тока стационарного режима, соответствующая подаваемому напряжению на вольт-амперной характеристике диода, τg – время жизни неосновных носителей заряда, т.е. время, в течение которого их концентрация за счет рекомбинации с электронами n-слоя изменяется в е раз. Таким образом, только в интервале времени t2 – t1 происходит установление стационарного режима работы диода.

Рисунок 4.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие

работу диода в составе ключа:

а – импульс анодного напряжения;

б – ток диода

Непосредственно после снятия анодного напряжения (момента времени t3) в n-слое диода остается объемный заряд дырок, накопленный при стационарном режиме. Следствием его рассасывания является ток Iотр, протекающий через диод в обратном направлении. В течение интервала времени t4 – t3 происходит рассасывание этих неосновных носителей заряда, сопровождающееся экспоненциальным уменьшением тока, что показано на рис. 4.5.б.

При последовательном включении диода и нагрузки временные зависимости напряжения, подводимого к нагрузке, и тока диода аналогичны. Следовательно, как видно из рис. 4.5, импульс выходного напряжения отличен от импульса анодного напряжения, т.е. диодный ключ искажает форму напряжения. Очевидно, степень этого искажения увеличивается с уменьшением длительности поступающего на вход ключа импульса напряжения. Причиной искажений является инерционность полупроводникового диода.  

4. Переходные процессы в ключе

на биполярном транзисторе

Переход ключевых схем на биполярном транзисторе из одного состояния в другое происходит, как и в диодном ключе, не мгновенно, а в течение определенного интервала времени, зависящего от переходных процессов двух видов. Первый связан с изменением объемного заряда неосновных носителей в базовом слое транзистора, т.е. поступающих в него из эмиттерного слоя. Второй связан с перезарядом барьерных емкостей переходов транзистора, которые обусловлены образованием двойного электрического слоя в их закрытом состоянии. Данные процессы происходят одновременно с процессом рекомбинации неосновных носителей заряда в базовом слое, свойственному установившемуся открытому состоянию транзистора. С учетом сказанного соотношение для базового тока может быть записано

                               iБ =  + .                            (4.5)

Первое слагаемое правой части этого соотношения соответствует процессу рекомбинации неосновных носителей заряда в базовом слое.     - величина  объемного заряда этих носителей в базовом слое,               - время их жизни. Второе слагаемое соответствует компоненте базового тока, связанной с изменением объемного заряда.  Третье слагаемое связано с перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода. Компоненту базового тока, обусловленную перезарядом аналогичной емкости эмиттерного перехода, можно не учитывать из-за малого изменения напряжения на этом переходе.

На рис. 4.6 приведены временные диаграммы напряжений и токов ключа на биполярном транзисторе типа  n-p-n. При закрытом состоянии (t < t1) на управляющий вход подается отрицательное напряжение Uвх зак, а в момент времени t1 поступает положительное напряжение  Uупр отп с нулевой длительностью фронта (см. рис. 4.6,а), обеспечивающее перевод транзистора в режим насыщения. В первом приближении можно считать, что ток базы также изменяется скачком до величины IБ, определяемой соотношением (4.3). Переход транзистора в открытое состояние сопровождается увеличением его коллекторного тока и уменьшением напряжения коллектор-эмиттер (рис. 4.6,в и г) в течение определенного интервала времени, т.е. перемещением рабочей точки вверх по линии нагрузки на рис. 4.4. Инерционность этого перехода обусловлена упомянутыми выше переходными процессами. Однако, если учитывать только процесс накопления   неосновных  носителей  заряда в базовом слое после открытия эмиттерного перехода, то уравнение (4.5) упрощается

                                            = iБ.                                          (4.6)

Рисунок 4.6. Временные диаграммы токов и напряжений

ключевой схемы на биполярном транзисторе

Решением уравнения (4.6) является сумма частного решения этого неоднородного уравнения и общего решения соответствующего однородного уравнения (при равенстве нулю правой части). В качестве частного решения используется величина заряда неосновных носителей заряда в базовом слое к концу накопления, т.е. IБ. Тогда

                                   (t) = A е-t/τБ  + IБ.                                 (4.7)   

Постоянная интегрирования А определяется из условия, что в момент открытия эмиттерного перехода (в соотношении (4.7) t = 0)  = 0. Окончательно решение уравнения (4.7) запишется в виде

                                       (t) = IБ· (1 - е-t/τБ ).                                 (4.8) 

Формирование импульса коллекторного тока заканчивается в момент накопления объемного заряда неосновных носителей в базовом слое,  когда его величина достигнет значения IБ отк (момент времени t2), после чего перемещение рабочей точки по линии нагрузки прекращается. Следовательно, согласно (4.8) длительность фронта импульса определяется как

=  = 1 - е-tф/τБ ,

                                      tф = ln .                                       (4.9)

Таким образом, с увеличением коэффициента насыщения уменьшается длительность фронта импульса. Это объясняется тем, что увеличение отпирающего тока базы способствует уменьшению интервала времени, за который коллекторный ток достигает значения .

Учет процесса изменения барьерной емкости коллекторного перехода может быть осуществлен уточнением значения постоянной времени в соотношении (4.9): вместо величины  записывается

                                           =  + βст СкRн,                                      (4.10)

где Ск – барьерная емкость коллекторного перехода.

Изменение напряжения на фронте импульса (рис. 4.6,г) определяется изменением коллекторного тока, поскольку

uкэ (t) = Eк - Rнiк(t).

После момента времени t2 = t1 + tф (см. рис. 4.6,в и г) величины коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора остаются неизменными. Однако переходный процесс в нем не заканчивается, поскольку в базовом слое продолжается накопление заряда даже после открытия коллекторного перехода (продолжение фронта пунктиром на рис. 4.6,в). Этот процесс завершится, когда заряд базы достигнет значения           нас = IБнак (поскольку IБ > IБ отк), соответствующего режиму насыщения базового слоя транзистора.  нак – постоянная времени накопления при открытом коллекторном переходе, величина которой мало отличается от Б (когда коллекторный переход закрыт). Как правило, накопление заряда завершается за время (2-3) Б.

Перевод биполярного транзистора в закрытое состояние осуществляется подачей в момент времени  t3 на управляющий вход ключа отрицательного напряжения (см. рис. 4.6,а). При смене полярности напряжения  uупр эмиттерный переход транзистора закрывается, изменяется направление протекания базового тока, а в базовом слое транзистора, находящегося в режиме насыщения, начинается уменьшение  концентрации неосновных носителей заряда.

Процесс  перевода транзистора в закрытое состояние можно разбить на два интервала: tрас на рис. 4.6.в – интервал рассасывания избыточного заряда в базовом слое и  tсп – интервал спада коллекторного тока, в течение которого рабочая точка перемещается вниз по линии нагрузки до точки «а» на рис. 4.4.

В течение первого из этих интервалов заряд в базовом слое уменьшается с  нас = IБнак до отк = IБ откнак, а величина коллекторного тока остается неизменной и равной IК отк. Следовательно, происходит задержка выключения транзистора на время tрас. Кроме того, остается в течение этого времени неизменной и величина напряжения коллектор-эмиттер, что позволяет для определения длительности интервала рассасывания использовать уравнение, аналогичное (4.6)

                                        = IКО.                                      (4.11)

Ток в правой части уравнения – это ток базовой цепи транзистора в закрытом состоянии. При решении уравнения (4.11) в качестве частного решения неоднородного уравнения используется величина заряда в базовом слое, равная IКО нак, а при t = 0 (соответствующему моменту времени t3)

= нас. Соотношение для определения длительности интервала рассасывания имеет вид (с учетом того, что IКО << IБ):

tрас = нак ln нак ln s.

Таким образом, увеличение коэффициента насыщения приводит к увеличению длительности интервала времени tрас, а вместе с этим увеличивает длительность импульса на выходе ключевой схемы по сравнению с длительностью импульса на ее входе.

Определение длительности интервала спада коллекторного тока, при котором рабочая точка перемещается вниз по линии нагрузки на рис. 4.4,  можно осуществить таким же образом, как и длительность фронта импульса. Сначала с использованием уравнения (4.6) с заменой величины тока в правой части с iБ  на IКО определяется длительность tсп без учета процесса изменения заряда барьерной емкости коллекторного перехода. При этом учитывается, что в момент окончательного закрытия транзистора заряд в базовом слое рассасывается полностью

 

tсп = Б  ln (+ 1).

Затем в этом соотношении уточняется значение постоянной времени в соответствии с (4.10).

Как следует из проведенного анализа, форма импульса напряжения на выходе транзисторного ключа отличается от формы импульса на его входе. Однако это отличие не столь существенно, как в диодном ключе. Степень отличия характеризуется длительностями tф, tрас, tсп, величины которых зависят как от параметров самого транзистора (например, для биполярного транзистора, Б, нак, , СК), так и условий его работы (RК, s, E). Значения этих длительностей для ключевых схем на биполярном транзисторе находятся в пределах от долей единицы до единиц микросекунд.

5. Компаратор на ОУ

При построении импульсных устройств электронной техники широкое применение нашли операционные усилители (ОУ). В таких устройствах, в отличие от аналоговых устройств, ОУ в основном работает в режиме насыщения, и выходное напряжение может принимать одно из двух значений: либо +Uвых max либо  –Uвых max. В связи с высоким значением коэффициента усиления в линейном режиме переход ОУ из режима насыщения с выходным напряжением +Uвых max в режим с напряжением       –Uвых max и наоборот, при изменении входного напряжения происходит практически «скачком».

   Такой ход передаточной характеристики ОУ, а также зависимость ее смещения от величины напряжения, подаваемого на один из его входов, позволяет использовать этот элемент в качестве устройства сравнения измеряемого напряжения аналогового сигнала с опорным напряжением, которое называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходе ОУ.

Рисунок 5.1. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на неинвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 5.1,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна, подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на  другой. Пусть измеряемое напряжение изменяется во времени. Тогда при достижении этим напряжением уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение U положительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемое u - на инвертирующий вход, как показано на рис. 5.1,а. Тогда при u < U   на  выходе  ОУ  напряжение  будет  положительное,  а при u > U - отрицательным (см. рис. 5.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение U.

Если в схеме компаратора измеряемое напряжение подавать на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий, как показано на рис. 5.2,а, то произойдет изменение передаточной характеристики: при    u < U на выходе напряжение будет отрицательным, а при          u > U - положительным (см. рис. 5.2,б).

Рисунок 5.2. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на инвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Компаратор на ОУ используется в системах автоматического регулирования и защиты в качестве элемента измерительного органа, вырабатывающего выходной сигнал при достижении контролируемым напряжением определенного значения. По выходному сигналу затем происходит срабатывание исполнительного органа системы автоматического управления или защиты, осуществляющей изменение режима работы соответствующей аппаратуры или ее отключение.

Компараторы также применяются для преобразования сигналов. В качестве примера на рис. 5.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов с использованием компаратора, схема которого приведена на рис. 5.1,а. Импульс положительной полярности в данном случае вырабатывается, когда мгновенное значение синусоидального напряжения превосходит опорное U. Длительность импульса может изменяться изменением величины опорного напряжения.

Рисунок 5.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование

синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов

с использованием компаратора

Особенность работы ОУ как компаратора заключается в резком изменении полярности выходного напряжения при изменении уровня входного сигнала. Сам процесс такого изменения получил наименование «опрокидывания». Из проведенного анализа следует, что условием опрокидывания ОУ, а, следовательно, и схемы, в которой он используется, является равенство напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ. Данное условие реализуется в импульсных устройствах на ОУ.

6. Триггеры Шмитта на ОУ

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. Охват ОУ петлей положительной обратной связи и его работа в режиме насыщения, когда выходное напряжение может принимать только два значения (+Uвых max и -Uвых max) приводят к появлению на передаточной характеристике триггера Шмитта петли гистерезиса и двух значений напряжения входного сигнала, в которых происходит опрокидывание схемы.

В схеме, приведенной на рис. 5.4,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов R и R (по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источника U.

Рисунок 5.4. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ  (U0 > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис. 5.4,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии заземления выходной клеммы ОУ. Тогда величина опорного напряжения

                     u = uвых + U.                      (5.1)             

При напряжении на выходе ОУ, равном +Uвых max, согласно соотношению (5.1) на неинвертирующий вход подается напряжение

                         U = U +R,                          (5.2)

которое называется напряжением срабатывания. При выходном напряжении, равном -Uвых max, на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно  

                          U = U - R                         (5.3)

которое называется напряжением отпускания. Напряжения срабатывания и отпускания – это значения, при которых происходит опрокидывание триггера Шмитта со схемой на рис. 5.4.а.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.4,а представлена на рис. 5.4,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, что обеспечивается при величине входного напряжения меньше напряжения срабатывания. При повышении входного напряжения положительное напряжение Uвых max на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение u не сравняется с  напряжением срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Эта величина выходного напряжения не изменяется при дальнейшем увеличении входного напряжения. При опрокидывании схемы напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как u сравняется с напряжением отпускания и произойдет опрокидывание схемы. Выходное напряжение, равное +Uвых max, сохраняется при дальнейшем уменьшении выходного сигнала.

Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис. 5.4,а равна

                       U - U = Uвых max,                       (5.4)

а напряжение, равноудаленное от напряжения срабатывания и напряжения отпускания, т.е. соответствующее центру петли гистерезиса,

                              Uцентр = U0 .                                   (5.5)

В схеме триггера Шмитта, приведенной на рис. 5.5,а, входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме входного напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов R и R. По аналогии с соотношением (5.1) можно получить уравнение, связывающее напряжение на неинвертирующем входе ОУ с входным

                      uнвх = uвых  + uвх  .                   (5.6)

Рисунок 5.5. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на неинвертирующий вход ОУ (U0 < 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Соотношение для определения величин, при которых происходит опрокидывание схемы получается из уравнения (5.6) при учете условия

uнвх = U0

и подстановки вместо напряжения uвых  двух значений: +UВЫХ max  и

-UВЫХ max. При подстановке -UВЫХ max  получается большая из этих двух величин, т.е. определяется напряжение срабатывания.

                    Uср =,                     (5.7)

а при подстановке +UВЫХ max  определяется напряжение отпускания

                    Uотп =.                   (5.8)

На рис. 5.5,б приведена передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.5,а, которая имеет петлю гистерезиса. Изменение полярности напряжения на выходе триггера с отрицательного на положительное происходит при приближении uвх к напряжению срабатывания, когда выходное напряжение отрицательное. При приближении uвх к напряжению отпускания, когда на выходе триггера Шмитта положительное напряжение, т.е. с противоположной стороны, происходит изменение полярности выходного напряжения с положительной на отрицательную. Ширина петли гистерезиса определяется как:

                      Uср - Uотп = ,                              (5.9)

а ее центр

                            Uцентр = U0 .                                   (5.10)

Таким образом, согласно (5.5) и (5.10) смещение петли гистерезиса передаточной характеристики триггера Шмитта осуществляется изменением напряжения источника U0, аналога источника опорного напряжения в компараторе.

Рисунок 5.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие

переключения триггера Шмитта при многократных

небольших изменениях контролируемого напряжения

Использование триггера Шмитта придает системам автоматического регулирования и защиты новое свойство. Действительно, при применении простейшей схемы компаратора величина напряжения, при которой срабатывают эти системы, остается одинаковой вне зависимости от того, в какую сторону изменяется величина контролируемого напряжения. При применении триггера Шмитта срабатывание систем автоматического регулирования или релейной защиты будет происходить при превышении контролируемым напряжением величины U, а восстановление режима работы аппаратуры, которое было до срабатывания, происходит только после уменьшения контролируемого напряжения ниже напряжения отпускания. Такое разделение напряжений срабатывания и отпускания обеспечивает, в частности, иные условия работы аппаратуры, при многократных небольших изменениях контролируемого напряжения. При применении простейшего компаратора режимы работы аппаратуры будут многократно изменяться в соответствии с изменением контролируемого напряжения. Применение триггера Шмитта исключает такие частые переключения, которые не всегда необходимы. Это иллюстрируется построениями на рис. 5.6.

В схемах компаратора и триггера Шмитта при переключении происходит резкое изменение режима работы с ОУ. В таких условиях работы важно быстродействие ОУ, которое характеризуется задержкой срабатывания (временем задержки момента изменения выходного напряжения) и временем нарастания выходного напряжения. Для работы в импульсном режиме выпускаются специальные ОУ, у которых время срабатывания составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
5683. Разработка устройства для исследования полупроводниковых приборов 718.15 KB
  В данной дипломной работе рассмотрено устройство для анализа полупроводниковых приборов. Целью работы является анализ схемотехнических решений мультиметров, рассмотрение принципов работы устройства для проверки элементов, разработка структурной и принципиальной схемы устройства, изготовление макета.
17213. Сравнительный анализ низкотемпературного и высокотемпературного электронного облучения на электрофизические характеристики полупроводниковых приборов 573.31 KB
  Создание ядерных реакторов и вооружений обусловили всплеск повышенного интереса к исследованиям по воздействию на твердые тела корпускулярного и у -излучения. В конце 1942 г. Вигнер указал, что нейтроны с большой энергией и осколки, образующиеся в процессе деления, должны обладать способностью смещать атомы из равновесных положений в кристаллической решетке. Он утверждал
9853. Таможенные платежи в режиме внутреннего потребления 484.04 KB
  Особенности таможенного режима выпуска товаров для внутреннего потребления. Таможенная политика выступает политическим средством в государственном регулировании перемещения товаров через таможенную границу и является политической составляющей таможенного регулирования. При перемещении товаров внутреннего потребления через таможенную границу Российской Федерации товары должны пройти таможенное оформление. Под таможенными платежами понимаются платежи подлежащие обязательной уплате при перемещении через таможенную...
13850. АНАЛИЗ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ В УСТАНОВИВШЕМСЯ И ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ 836.38 KB
  Исследовать электрическую цепь с нелинейным резистивным двухполюсником, в которой действуют источник ЭДС Е и источники однофазной синусоидальной ЭДС e=Emsin(ωt+ψi) и однофазного синусоидального тока i=Imsin(ωt+ψu) с частотой f=400 Гц. Схема цепи приведена на рис.1.13, параметры элементов цепи - в табл.1, вольтамперная характеристика нелинейного двухполюсника...
1965. Изучение работы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме 57.46 KB
  Ход работы: Снять входные ВАХ транзистора рис. Снять выходные ВАХ рис. Схема 1 Входные характеристики: Входные ВАХ транзистора при различных Ib Рис.
12692. Энергосберегающие системы снеготаяния и антиобледенения на основе полупроводниковых пленочных нагревателей 33.59 KB
  Установка системы, которая будет препятствовать обледенению кровли, необходима и должна носить обязательный характер, так как она призвана повысить уровень безопасности эксплуатации здания, передвижения автотранспорта и пешеходов.
1966. Схема для подбора сопротивлений при работе однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме 24.63 KB
  Нарисуйте основные характеристики транзисторов при включении с общим эмиттером. Каковы основные преимущества и недостатки транзисторов по сравнению с электронными лампами Какие марки транзисторов вы знаете Литература : Федотов Я.
11947. Новый класс энергосберегающих силовых полупроводниковых ключей – интегральных тиристорных модулей с полевым управлением 53.74 KB
  Основной областью использования модулей является электропривод; в этой области потребляется около половины всей вырабатываемой электроэнергии. Современный электропривод базируется на асинхронном электродвигателе скорость вращения которого регулируется изменением частоты переменного тока статора с помощью полупроводникового преобразователя на основе интегральных модулей с полным управлением. Серийное производство разработанных модулей предполагается начать в 2013 г.
13639. Поверка технических приборов 241.3 KB
  Цель работы Ознакомление с методикой поверки технических амперметров вольтметров и определение их основных характеристик. Содержание работы Определение основных погрешностей. Определение времени установления показаний. Определение потребляемой прибором мощности.
8002. Классификация измерительных приборов 11.12 KB
  Измерительные приборы делятся на образцовые и рабочие. Образцовыми называются приборы предназначенные для хранения и воспроизводства единиц измерения а также для проверки и градуировки приборов б Рабочими называются приборы используемые для практических измерений. В свою очередь рабочие измерительные приборы делятся на лабораторные и технические. Лабораторные приборы в промышленности не применяют и в связи с этим далее они не рассматриваются.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.