Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 13 из 17

Управляемые выпрямители позволяют регулировать вы­ходное напряжение. Они, как правило, построены на ос­нове однооперационных (обычных, незапираемых) тири­сторов.

Для примера рассмотрим схему однофазного двухполу-периодного управляемого выпрямителя со средней точкой (рис. 2.91).

Если импульсы управления подаются сразу после по­явления на тиристорах положительных напряжений, то схема будет работать точно так же, как схема на диодах.

Изобразим временную диаграмму выходного напряже­ния для случая, когда импульсы управления подаются с
некоторой задержкой по отношению к указанным момен­там времени (рис. 2.92, жирная линия). Через t_вклlобозна­чена указанная выше задержка. Часто временные диаграм­мы подобных схем изображают, откладывая по горизонтальной оси не время t, а величину wt(w— кру­говая частота). Тогда указанной задержке соответствует оп­ределенный угол а_еклсдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления, причем




Угол а_еклназывают углом управления. Для рассматри­ваемой схемы угол управления, как легко заметить, может изменяться в пределах от 0 до π (от 0 до 180 град.). Чембольше угол управления, тем меньше среднее напряжение на выходе выпрямителя.

Пунктиром изображена временная диаграмма, соответ­ствующая отсутствию задержки.

ЦИФРОВАЯ

И ИМПУЛЬСНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА
3.1. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ

И ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

ПРЕОБРАЗУЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ

Импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. При этом в промежутках времени между этими изменени­ями токи и напряжения меняются сравнительно мало. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и информативной электроники.

Часто активные приборы (например, транзисторы) ус­тройства электроники, работающего в импульсном режи­ме, используются как ключи, т. е. основную долю време­ни находятся или в открытом, или в закрытом состоянии, и только в течение очень коротких отрезков времени на-, ходятся в промежуточном состоянии. Это так называемый ключевой режим работы активных приборов. В соответ­ствии с этим импульсный и ключевой режимы иногда отождествляют. Широкое использование импульсного режима объясняется многими его преимуществами. Им­пульсный режим устройства силовой электроники по­зволяет существенно повысить коэффициент полезного действия.

Дадим соответствующие пояснения. Пусть в устройстве используется силовой транзистор, работающий в режиме ключа, причем в открытом состоянии транзистор находит­ся в режиме насыщения (напряжение на транзисторе мало), а в закрытом — в режиме отсечки (ток через тран­зистор мал). Тогда мощность, идущая на нагрев транзис­тора, мала как в его открытом, так и закрытом состояни­ях. Эта мощность возрастает в момент переключения транзистора из одного состояния в другое. Но процесс пе­реключения протекает достаточно быстро, и в среднем мощность оказывается малой.

Импульсный режим работы устройств информативной электроники имеет следующие два важнейших преимуще­ства:

• 
  резко повышается помехоустойчивость, так как и при высоком уровне помех обычно не возникает проблемы отличить одно состояние схемы от другого, а именно состояние схемы определяет информацию о преобразуемом сигнале;
  
• 
  информация о сигнале простым и естественным образом представляется в цифровой форме, что позволяет использовать большие и всё возрастающие возможности цифровой обработки информации.
  

3.1.1. Описание импульсных сигналов

Рассмотрим основные термины. Обратимся для приме­ра к идеализированному импульсу, который называют тра­пецеидальным (рис. 3.1, а). Участок импульса АВ называ­ют фронтом, участок ВС — вершиной, участок CD — срезом; отрезок времени AD — основанием. Иногда уча­сток АВ называют передним фронтом, а участок CD — задним фронтом.

На рис. 3.1, б приведены другие идеализированные им­пульсы характерных форм и даны их названия.



Рис.3.1

Обратимся к идеализированному, но более сложному по форме импульсу (рис. 3.2, а).

Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называется хвостом импульса, или обрат­ным выбросом.

Для величин, указанных на рисунке, обычно исполь­зуют следующие названия:

t_и— длительность импульса;

tф — длительность фронта импульса;

t_c — длительность среза импульса;

t_x— длительность хвоста импульса;

U_m— амплитуда (высота) импульса;


ΔU— спад вершины импульса;

U_обр -амплитуда обратного выброса.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных соглашений. Например, длительности импульса и фронта импульса час­то определяют так, как это показано на рис. 3.2, б.

Обратимся к периодически повторяющимся импульсам (рис. 3.3).

В этом случае используются следующие параметры: Т — период повторения импульсов;

f =1/T-частота повторения импульсов;

t_n — длительность паузы;

Q=T/t_и-скважность импульсов;

K_з =1/Q=t_и/T— коэффициент заполнения.

3.1.2. Анализ переходных процессов (динамических режимов) в импульсных схемах

Задача анализа переходных процессов является наибо­лее важной и характерной для импульсных схем. Это одна из наиболее трудных вычислительных задач. Она состоит в определении частного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений, удовлетворяющего задан­ным начальным условиям. Это так называемая задача Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений. Особенно сложной задачу делает то обстоятельство, что указанная система уравнений для практически использу­емых схем оказывается нелинейной из-за проявления не­линейности характеристик диодов, транзисторов и т. д. Это приводит к тому, что для реальных более или менее сложных схем задача анализа переходных процессов во всей полноте может быть решена только численно при использовании компьютера.

Однако следует учитывать, что в современных, практи­чески используемых пакетах программ для анализа элек­тронных схем (Micro-Cap и др.) численные методы ис­пользуются не в классической форме, а в особой, можно сказать, схемотехнической форме. Такое использование этих методов стало результатом глубокого переосмысле­ния сущности задачи и взаимосвязи прикладной матема­тики и электроники. Это наиболее эффективный совре­менный профессиональный подход к анализу переходных процессов в электронных схемах. Настоятельно рекомен­дуется выполнять анализ переходных процессов в реаль­ных схемах с помощью современных пакетов программ. Эффективность таких расчетов исключительно высока.

В учебных целях для уяснения особенностей переход­ных процессов в тех или иных электронных схемах очень полезно выполнять упрощенный, ручной анализ динами­ческих режимов.

При ручном анализе часто принимают следующие до­пущения:

• 
  электронная схема является линейной или квазили­нейной (т. е. характеристики элементов схемы являются кусочно-линейными);
  
• 
  электронная схема является схемой первого порядка (т. е. на каждом отрезке времени схема описыва­ется одним обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка);
  

• 
  в схеме не нарушаются законы коммутации (т. е. предполагается, что напряжение на каждом конденсаторе и ток каждой катушки индуктивности не изменяются скачкообразно);
  
• 
  входные сигналы являются постоянными или кусочно-постоянными.
  

Иногда схему удается разделить на несколько не свя­занных между собой частей, каждая из которых является схемой первого порядка. Известно, что если схема явля­ется схемой первого порядка, а входные сигналы являют­ся постоянными, то изменения токов и напряжений опи­сываются экспоненциальными функциями. Это позволяет без громоздких расчетов изображать временные диаграм­мы токов и напряжений. При этом нет необходимости даже записывать исходные дифференциальные уравнения.

График экспоненциальной функции легко изобразить, зная начальную точку экспоненты, асимптотический уро­вень (т. е. тот уровень, к которому стремится экспонента) и постоянную времени, характеризующую экспоненту.

Начальную точку экспоненты находят, используя зако­ны коммутации. Асимптотический уровень и постоянную времени определяют в результате анализа (как правило, несложного) схемы.

Для примера выполним анализ переходного процесса в простейшей электронной RC-схеме при воздействии на нее прямоугольного импульса. Это так называемая задача анализа прохождения прямоугольного импульса через простейшую RC-цепь. Изобразим анализируемую схему (рис. 3.4, а) и временные диаграммы (рис. 3.4, б), харак­теризующие переходной процесс. Рассматриваемая схема характеризуется постоянной времени τ =RС. В этой схе­ме, естественно, все токи и напряжения изменяются с одной и той же постоянной времени.

При анализе схем первого порядка необходимо знать характерные значения экспоненциальных функций. Изобразим

соответствующие временные диаграммы (рис. 3.5) для функций



3.1.3. Цифровое представление

преобразуемой информации и логические состояния

Для цифрового представления информации характер­но полное абстрагирование от особенностей электричес­ких процессов в электронной схеме, выполняющей обра­ботку сигналов.

В устройствах цифровой электроники в большинстве случаев используются сигналы двух уровней — высокого и низкого. При этом обычно имеются в виду уровни на­пряжения, а не тока. Цифровые схемы конструируют та­ким образом, чтобы воздействие некоторого сигнала оп­ределялось не конкретным значением его напряжения, а тем, к какому из двух разновидностей сигналов (высоко­го или низкого уровня) этот сигнал относится. Предпола­гается, что каждый сигнал характеризуется «разумным» уровнем напряжения. При конструировании цифровых схем предпринимаются все меры к тому, чтобы, например,

сигнал высокого уровня был не очень малым и не очень большим по напряжению. Если напряжение сигнала на­ходится в установленных пределах, то конкретное значе­ние напряжения практически никак не влияет на реакцию того устройства цифровой электроники, на которое этот сигнал подан. Такие сигналы принято называть цифровы­ми. Сигналы, не являющиеся цифровыми, называют ана­логовыми.

Изобразим диаграмму, поясняющую изложенное (рис. 3.6). На этой диаграмме, соответствующей цифровым схе­мам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), имеющей напряжение питания 5 В, укажем диапазоны напряжений для входных и выходных сигналов (заштрихованные пря­моугольники). Это такие диапазоны, что сигнал, оказав­шись в одном из них, безошибочно квалифицируется как сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низко­му уровню сигналов ставятся в соответствие логические состояния 1 («истина») и 0 («ложь»). Если высокому уров­ню сигналов ставится в соответствие состояние 1, а низ­кому — состояние 0, то говорят о так называемой позитивной



логике. Если высокому уровню соответствует со­стояние 0, а низкому — 1, то говорят о так называемой негативной логике.

3.2. 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. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электрон­ных устройств и часто сопровождается пересмотром ис­пользующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импуль­сных силовых устройств. Эти знания оказывают суще­ственную помощь и при конструировании устройств ин­формативной электроники.

3.2.1. Ключи на биполярных транзисторах

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напря­жения (рис. 3.7).

Вначале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t₁эмиттер-ный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме i_K= —i₆ =I_K0 (I_K0 — обратный ток коллектора),


i_э =0. Малым током 1_кочасто мож­но пренебречь и считать, что i_K = i₆=0. При этом и_Rб=

= и_Rк=0; и_бэ = -U₂, и_кэ =-Е_кэ

В промежутке времени t₁...t₂ транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе и_кэ было мини­мальным, напряжение U₁обычно выбирают так, чтобы транзистор находился или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близком к режиму насыще­ния.

Определим токи и напряжения для рассматриваемого

отрезка времени:

Ток коллектора в режиме насыщения обозначим через 1_кнас . Таким образом, 1_кнас = Е_к/R_к. Напряжение в режиме насыщения у транзисторов разного типа различно. Обыч­но оно лежит в пределах 0,08... 1 В.

Для оценки глубины насыщения пользуются так назы­ваемым коэффициентом насыщения q_нac, показывающим, во сколько раз реальный ток базы больше того минималь­ного значения тока базы, которое необходимо для обес­печения режима насыщения. Очевидно, что минимальный ток базы 1_{б.нас.мин}необходимый для режима насыщения, определяется выражением



поэтому



При выборе значения коэффициента насыщения для конкретного транзисторного ключа обычно используют следующие соображения:

• 
  режим насыщения должен быть обеспечен для раз­личных экземпляров транзисторов выбранного типа при работе ключа в заданном диапазоне температуры;
  
• 
  увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практи­чески прекращается при q_нac=3;
  

• чрезмерное увеличение тока базы приводит к замет­ному увеличению мощности, выделяемой во вход­ной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установивше­муся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насы­щения) транзисторный ключ, но длительность переходно­го процесса выключения транзистора при этом увеличи­вается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину q_наcвыбирают из диапазона 1,5...2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8).



Через и_{бэ.порог}обозначено пороговое напряжение меж­ду базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение и_{бэ.порог}соответ­ствует току базы, в 10 раз меньшему тока