Расчет транзистора

Расчет транзистора

Задание № 1. Опишите физическую сущность и возможные области практического использования физического эффекта (Электростатическая эмиссия)

транзистор резисторный электростатический

Электростатическая эмиссия представляет собой процесс испускания электронов твердым или жидким телом под действием сильного поля. В электровакуумных приборах электростатическая эмиссия имеет место в режиме насыщения электрического поля, создаваемого у поверхности катода.

Причиной этого являются электростатическая эмиссия - вырывание электронов полем анода и дополнительный нагрев катода анодным током. Наиболее резко выражено насыщение у вольфрамового катода, а у оксидного катода оно мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в оксидный слой, создает значительную электростатическую эмиссию. Кроме того, оксидный слой имеет большое сопротивление, и поэтому он сильно дополнительно нагревается током анода.

При электростатической эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счёт кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии <#"864577.files/image001.gif">. Одновременно уменьшается ширина барьера.

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла - в отсутствие электрического поля. - обусловленная слабым внешним электрическим полем; - более сильным полем;  - энергия, соответствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля;  - энергия Ферми <#"864577.files/image008.gif"> -работа выхода.

Металлические автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока j, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрированные электронные пучки <#"864577.files/image009.gif">

Рис. 1. Конструкция диффузионного транзистора.

- эмиттерный контакт, 2 - область эмиттера , 3 - область базы , 4 - базовый контакт, 5 - коллектор, 6 - коллекторный контакт.

На рис. 2 показано изготовление мезатранзисторов методом напыления эмиттера и базового вывода через маску. Такая технология позволяет значительно уменьшить площадь коллекторного перехода (по сравнению со сплавными транзисторами)-до 100-200 мкм. Емкость коллекторного перехода при этом уменьшается до 0,5-0,8 пФ. Толщина базы у мезатранзисторов меньше 1 мкм. Граничная частота коэффициента передачи по току достигает 500 мГц. Выделяемая на коллекторе мезатранзистора мощность может достигать 10 Вт и более, так как вследствие увеличения площади контакта коллектора с его выводом значительно улучшается отвод тепла.

Рис 2. Напыление контактных площадок через маску при изготовлении

мезатранзисторов: 1 - пластинка р типа, 2 - слой п типа, 3 -маска, 4 - испаритель материала эмиттера, 5 - испаритель материала вывода базы.

Структуры транзисторов: а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в - планарного; г - мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмиттер; 3 -эпитаксиальная пленка; 4 - подложка.

Используют три схемы включения транзистора.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис.5): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Рис. 5. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б), с общим коллектором (в).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т.е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Выходными напряжениями U являются переменные составляющие напряжений на резисторах RК и RЭ.

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические входные и выходные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

Задание № 3

Расшифруйте приведенное в табл.3 буквенно-цифровое обозначение электронного прибора.

ТН-0,3- МИНИАТЮРНАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ НЕОНОВАЯ ЛАМПА.

Рабочее напряжение 150 v, D = 9 мм, L = 30 мм. Цвет свечения красно-оранжевый. Цоколь Е10.

Задание № 4

На основании данных табл. 4. где :- напряжение сети, - частота тока, m - число фаз сети и выпрямителя, - число полупериодов выпрямителя, - число тактов выпрямления, - среднее значение выпрямленного напряжения, - выпрямленная мощность, - коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, произведите расчет неуправляемого выпрямителя, определив электрические параметры силового трансформатора и емкостного сглаживающего фильтра и выбрав диоды для выпрямительного блока или сам блок.

Изобразите принципиальную схему выпрямителя.

. Коэффициент пульсации выходного (выпрямленного) напряжения:

 =  = 0,67

. Ток первой обмотки трансформатора:

I1 =  = 0,8 (А)

. Расчётная мощность трансформатора:

SТ = = 17,4 (Вт)

9. Коэффициент трансформации трансформатора:

Ктр =  = 0,3

С каталога выбираю диоды: 2Д806Б Uобр.max = 40В, Iпр.max = 0,5А.

. Ёмкость конденсатора в фильтре:

С = 1,9 (мкФ)

. Ёмкостное сопротивление:

XC = 8,4 (Ом)

Задание № 5

На основании данных табл. 5 рассчитайте резисторный каскад УНЧ на транзисторе (класс усиления А) и выберите все входящие в его состав элементы. Изобразите его принципиальную электрическую схему и спецификацию элементов.

образуют делитель для получения необходимого напряжения смещения на базе транзистора. Резистор R1 и конденсатор C2 обеспечивают температурную стабилизацию работы усилителя. В данной схеме резистор RН является нагрузкой.

Выбор транзистора

Мощность на нагрузке:

 =3,78(мВт)

Амплитуда тока нагрузки= 52 (мкА)

Мощность рассеивания на коллекторе (при x = 1,1)

Rк = 8 ∙ x ∙ Pн = 8 ∙ 1,1 ∙ 0,046 = 146 (мВт)

Допустимый ток коллектора= 8,2 (мА)

Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером= 0,46 (В)

Значение граничной частоты транзистора:

fГР > 10 ∙ f1 = 10 ∙ 56 = 560 (кГц)

Статический коэффициент усилия:

В = (0,51,5) ∙ KU = (0,51,5) ∙ 10 = (515)

Выбираем транзистор 1Т101А.

UКЭ0max = 15 В; IКmax = 10 мА; РКmax = 50 мВт; fГР = 2 МГц; СК = 50 пФ.

Расчет режима транзистора по постоянному току:

Выбор тока коллектора в рабочей точке.

,86 (мА)

Ток базы в рабочей точке = 0,19 (мА)

Напряжение между коллектором и эмиттером в рабочей точке= 1,3 ≈ 2 (В)

На основании данных табл. 6 рассчитайте двухтактный трансформаторный каскад УМНЧ на транзисторах (класс усиления В) и выберите все входящие в его состав элементы. Изобразите его принципиальную схему и спецификацию элементов.

Режим класса В. Рабочая точка выбирается в самом начале динамической вольт-амперной характеристики , в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток практически равен нулю и выделяемая в каскаде мощность мала. Однако в этом случае каскад способен усиливать только одну полуволну гармонического сигнала (сигналы только одной полярности). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода (в течение другой половины периода активный элемент находится в состоянии отсечки) и имеет форму импульсов. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные - другим. В 10 нагрузке Rн усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма. Достоинства усилителя мощности, работающего в режиме класса В, - высокий КПД (до 70%) и большая мощность сигнала в нагрузке, однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики. Чистый режим класса В практически используют очень редко.

Задание № 7

На основании данных табл. 7 рассчитайте симметричный триггер на транзисторах с общим (счетным) запуском и выберите все входящие в его состав элементы. Изобразите его принципиальную схему и спецификацию элементов.

Триггер - это устройство, которое обладает двумя устойчивыми состояниями и способные под воздействием внешнего управляющего сигнала скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое. Триггеры изготовляются в виде интегральных микросхем, но также могут быть выполнены на дискретных (отдельных) элементах. Триггеры на дискретных элементах применяются в нестандартной аппаратуре управления и контроля, и отраслях науки и техники, где используются повышенные уровни напряжения и тока.

Устройство и принцип работы симметричного триггера:

Симметричный триггер представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока с положительной обратной связью, которая осуществляется через RC-цепи с коллектора одного транзистора на базу другого.

Схема симметричного триггера с независимым смещением.

Данная схема триггера имеет название симметричного триггера с независимым смещением. В данной схеме параметры левой и правой части идентичны, то есть Rb1 = Rb2, Rk1 = Rk2, R1 = R2, C1 = C2, транзисторы VT1 и VT2 -(КТ315Г) имеют одинаковые параметры.

Задание № 8

На основании данных табл. 8 рассчитайте автоколебательный симметричный мультивибратор на транзисторах и выберите все входящие в его состав элементы. Изобразите его принципиальную схему и спецификацию элементов.

Расчета автоколебательного мультивибратора.

Схема для расчета автоколебательного мультивибратора приведена на Рис. 1.

Рис. 1. - Схема мультивибратора на транзисторах

Исходные данные: амплитуда положительного импульса UKu=12 В, длительность tu1=10 мкс, длительность фронта tф1≤1,0 мкс, длительность среза tc1≤2 мкс, период следования T=40 мкс Rн=2 кОм, максимальная температура окружающей среды t°окр=+40°С.

Выбор типа транзистора. Транзистор выбирается по определенной частоте fh21б=100 (МГц) максимально допустимому напряжению UКБmax=10 (В) и статическому коэффициенту передачи по току h21Э=120. Так как транзистор в схеме мультивибратора работает в ключевом режиме, поэтому выберем широко используемый маломощный высокочастотный транзистор типа КТ315 с параметрами: fh21б=100 (МГц), UКБmax=10 (В), h21Э=120, Iэ=5 (мА), Ik= 20 (мА), UКЭ= 10 (В).

Так как скважность определяется выражением

то транзистор должен иметь коэффициент передачи по току:

Необходимое значение предельной частоты выбираемого транзистора fh21б находится из следующих соображений. Малое значение длительности фронта импульса tф2≈τа≈ τа+RkCk получится в том случае, если постоянная времени заряда емкости С1 отвечает условию RkC1≥(5÷10) τа. Обычно τа≥RkCk, и поэтому принять RkC1≈10τа.

Так как

, то . Но  и поэтому

Используя выражение для h21Э, после преобразования получаем:

Проведенные расчеты показали правильность выбранного транзистора.

Определим сопротивление резистора по формуле:

,

где ,

Согласно ряду номинальных значений сопротивлений примем значение резистора Rк равным 12 МОм. Для определения типа резистора рассчитаем его мощность рассеяния по формуле P=I2R, поэтому в качестве резистора R можно использовать резистор типа С2-33-0,25-10 12 Мом ± 5%

Ток коллектора насыщения IK нас определяется с учетом температуры окружающей среды по выражению:

Сопротивление резистора Rб определяется из условия режима насыщения открытого транзистора. Поэтому

Проверяем выполнения условия температурной стабильности схемы.

На основании полученного неравенства можно не учитывать влияния обратного тока коллектора на длительность и период следования импульса.

Вычисляем емкости конденсаторов С1 и С2.

Согласно ряду номинальных значений емкостей выберем конденсатор емкостью 330 пФ, следовательно, в качестве С1 можно использовать конденсатор типа К10-17б-Н90-330 пФ ± 10%

Согласно ряду номинальных значений емкостей выберем конденсатор емкостью 1000 пФ, следовательно, в качестве С2 можно использовать конденсатор типа К10-17б-Н90-1000 пФ ± 10%

Проверяем длительность фронта.

Расчет усилителя мощности.

В качестве выбрал транзистор типа КТ815Б, исходя из условия:

кэдоп=5 (В)             IБ=5 (мА)

Епит=6 (В)             Uб=0,6 (В)=3 (мГц)            Uk=10 (В)=5 (мА)             Rk=2 (кОм)бэ=1,2 (В)

 Исходя из данных , найдем величину Rб.

Согласно ряду номинальных значений сопротивлений, выбирают резистор с номинальным сопротивлением Rб=100 (кОм) и рассчитывают его.

Р=I2Rб=0,15 (Вт)≈0,25 (Вт)

Поэтому в качестве Rб выбираем резистор типа С2-33-100 Ом- 0,25 Вт±5%

Рассчитаем величину Rкэ.

Согласно ряду номинальных сопротивлений, выберем резистор с сопротивлением RКЭ=1 (кОм), и рассчитаем его P=I2Rкэ≈0,125 (Вт), выберем резистор типа С1-22-1 кОм-0,125 Вт±10%.

Рассчитаем величину Ik, проходящего динамик ВА1.

Все элементы схемы рассчитаны, выбраны их типы, следовательно, можно считать расчет законченным.

Задание № 9

На основании формулы алгоритма функционирования и элементной базы, заданных в табл. 9, составьте таблицу истинности алгоритма функционирования и принципиальную схему блока для его реализации.

, 2ИЛИ-НЕ.

Список используемой литературы

1. Цыганкова М.С., преподаватель Калининградского Морского колледжа, инженер-электрик. Теоретические основы электротехники и электрические измерения. - Сб. - П.: Санкт - Петербургское мореходное училище.

. Зайчик М.Ю. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. - М.: Энергоатомиздат.

. Попов В.С. Теоретическая электротехника. Учебник для техникумов. - М.: Энергоатомиздат.

. Попов В.С. Теоретическая электротехника - М.: Энергоатомиздат.

. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2001.

. Забродин Ю.С. Основы промышленной электроники. - М.: Высшая школа.

. Криштофович А.К. Основы промышленной электроники. - М.: Высшая школа.

. Горбачев Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энерготомиздат.

. Штумпф Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника. - Сб.-П.: Судостроение.

.А.А Щука Электроника - Сб-П БХВ-Петербург 2005 Дополнительные источники:

. Берѐзкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников З.З. Задачник по общей электротехнике с основами электроники.

. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. Учебник для техникумов. - М.: Высшая школа.

. Касаткин А.С. Общая электротехника. .

. Примерная программа Электротехника. -М.: ИПР СПО Минобразование РФ, 2002.

. Фомин Ю.А., Агеев В.И, Михайленко С.Б. Учебная и методическая работа в учебных заведениях морского флота.- М.: Мортехинформреклама.

. Цейтлин Л.С. Руководство к лабораторным работам по теоретическим основам электротехники. - М.: Высшая школа.