Определение стационарных выходных напряжений ключа в замкнутом состоянии для двух значений резистора Rd в стоковой цепи

Амплитуда U_m выходного импульса должна быть равна:

U_m = Е_п - U_си.о

Длительность переходного процесса определяется временем заряда конденсатора Сн от U_си.о до Е_п через резистор Rd. За длительность t_фр переднего фронта прямоугольного импульсного напряжения принято время, за которое напряжение возрастает от уровня (U_си.о+0.1*U_m) до уровня (U_си.о+0.9*U_m). Теоретический анализ показывает, что длительность переднего фронта определяется как

t_фр=2.2*Rd*Cн (1)

Используя данное соотношение по результатам измерения длительности переднего фронта для двух величин резистора Rd, в данной работе определяется величина нагрузочной емкости Сн.

По окончанию входного импульсного напряжения транзистор открывается и напряжение на выходе (на конденсаторе Сн) изменяется от Е_п до U_си.о. Разряд конденсатора происходит током стока I_c транзистора. За время спада t_cп (длительность заднего фронта) импульсного напряжения принято время, за которое напряжение уменьшается от уровня (U_си.о+0.9*U_m) до уровня (U_си.о+0.1*U_m). Анализ показывает, что если напряжение U_си.о > U_си.нас, то

t_cп =t_фр, (2)

В тех случаях, когда U_си.о < U_си.нас, в предположении, что ток стока I_C в области пологого изменения постоянен и равен I_Cнач, то время спада t_cп определяется как:

t_cп» Rd*Cн*ln[I_Cнач*Rd/(U_си.нас + I_Cнач *Rd- Е_п)] (3)

В данном случаи время спада определяется не только от величин Rd и Cн, но и начальным током стока I_Cнач полевого транзистора. До проведения экспериментов вычислите длительности переднего и заднего фронтов при сопротивлениях Rd=620 Ом и Rd=3 кОм по формулам (1) – (3), приняв ориентировочно величину Сн=120 рФ,

 

Рис. 8. Осциллограммы выходного и входного импульсов ключевой схемы.

Рис. 9. К измерению максимального и минимального уровней выходного напряжения.

 

Рис. 10. К измерению временных параметров выходного импульса ключевой схемы.

Построим нагрузочные кривые для первой выходной характеристики:

 

 

Рис. 11. Нагрузочные кривые

 

3. Измерение параметров выходного импульса ключевой схемы при Rd=620Ом.

 

 

Подсчитаем теоретические τ фронта и τ спада, сравним их с экспериментальными:

t_фр=2.2*Rd*Cн=2,2*620Ом*120*10^-12Ф=0,16 мс

t_cп» Rd*Cн*ln[I_Cнач*Rd/(U_си.нас + I_Cнач *Rd- Е_п)]=0,19 мс

Таблица 1.1

Rd=620 Ом	Uмин	Uмакс	tфр	tсп
Эксперим.			0,16мс	0,2мс
Теория			0,16мс	0,2мс

 

Сн_экспер=117,3 пФ

4. Измерение параметров выходного импульса ключевой схемы при Rd=3 кОм.

 

Подсчитаем теоретические τ фронта и τ спада, сравним их с экспериментальными:

t_фр=2.2*Rd*Cн=2,2*3000Ом*120*10^-12Ф=0,8 мс.

t_cп» Rd*Cн*ln[I_Cнач*Rd/(U_си.нас + I_Cнач *Rd- Е_п)] =0,89 мс

Таблица 1.2

Rd=3 кОм	Uмин	Uмакс	tфр	tсп
Эксперим.	0,5		0,9мс	1мс
Теория	0,6		0,9мс	1мс

 

Сн_экспер=136,4 пФ

 

Полученные значения времени фронтов в цепи с резистором Rd2 отличаются от ожидаемых ровно в два раза (, поэтому и времена передних фронтов должны отличаться в 5 раз). Такое соотношение было экспериментально достигнуто: теоретический прогноз справедлив.

 

Выводы.

1.Вид характеристик при эксперименте совпадает с раннее промоделированными на семинаре, что говорит о правильности модели, которой мы пользуемся в MicroCap 9.0ю

 

2.1.Работа транзистора в ключевом режиме была проанализирована на примере двух значений сопротивления нагрузки Rd1=620 Ом и Rd2=3кОм. Увеличение длительности переднего фронта приблизительно в 5 раз с увеличением соответственно сопротивления нагрузки от 620 Ом до 3 кОм обусловлено увеличением времени переходного процесса, определяемого формулой t=Cн*Rd. Таким образом, переходной процесс в случае большей нагрузки едва успевает окончиться, в то время как в случае с меньшей нагрузкой значение напряжения питания Eп достигается значительно быстрее из-за непродолжительности переходного процесса, что и видно из результатов опыта.

 

2.2.Длительность заднего фронта уменьшается, т.к. c увеличением нагрузки уменьшается значение постоянной (Eп-Ic*Rd), к которой будет стремиться экспоненциальное падение напряжения на выходе в результате разрядки конденсатора Cн.