Расчет мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом

Введение

 Курсовой проект по дисциплине «Основы импульсной и преобразовательной техники» является завершающим этапом изучения учебной дисциплины и является видом самостоятельной и творческой учебной деятельности учащихся.

Самостоятельная работа учащихся над проектом позволяет закрепить полученные знания, получить практику расчетов электронных цепей. Кроме этого, учащиеся приобретают опыт работы с технической литературой, справочниками, стандартами.

Работа над курсовым проектом развивает у учащихся инициативу, творческую активность в области импульсной и преобразовательной техники, расширяет их общий кругозор, позволяет усвоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию электронной аппаратуры.

Цель курсового проекта – систематизация, углубление и закрепление теоретических знаний, осмысление, обобщение, формирование умений и навыков проектировочной деятельности, её самоанализа и самооценки.

Задачами курсового проекта является разработка структурной и электрической схемы электронного устройства с последующим расчётом основных параметров электрорадиоэлементов , входящих в ее состав

Импульсная и преобразовательная техника – сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.

Генераторы прямоугольных импульсов, имеющие в петле обратной связи элементы, накапливающие энергию, называются мультивибраторами.

Мультивибраторы подразделяются на две группы:

- автоколебательные мультивибраторы;

- ждущие мультивибраторы или одновибраторы.

Основное различие между этими мультивибраторами заключается в том, что автоколебательные мультивибраторы формируют импульсную последовательность при подаче напряжения питания на схему, так как они имеют две цепи обратной связи с накопителями энергии, а ждущие мультивибраторы формируют одиночный импульс с заданными параметрами по внешнему запуску, так как одна петля обратной связи не имеет накопителя энергии. Одновибратор – что-то среднее между мультивибратором и триггером.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения мультивибраторов. При мягком режиме любые изменения напряжения в цепи обратной связи в момент включения питания приводят к возникновению режима генераций; при жестком режиме генерация возникает, когда напряжение в цепи обратной связи достигает определенного порога.

Мультивибраторы подразделяются на перезапускаемые и неперезапускаемые. В первом случае при подаче импульса запуска генерация выходных сигналов начинается заново с исходного состояния. Перезапуски позволяют неограниченно увеличивать длительность выходного импульса независимо от параметров схемы мультивибратора. Неперезапускаемые мультивибраторы не реагируют на внешние импульсы запуска

Мультивибраторы подразделяются на следующие:

- Мультивибратор на операционном усилителе

- Мультивибратор на логических элементах

- Мультивибратор на биполярных транзисторах

- Мультивибратор на транзисторах.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

1 Литературный обзор

[pic 1]

Рисунок 1 – Схема мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом.

Достоинство схемы:

- Высокое входное сопротивление

- малое время заряда конденсаторов

Недостатки схемы:

- невысокая стабильность

[pic 2]

Рисунок 2 – Схема мультивибратора на ПТ с изолированным затвором

Достоинство схемы:

- работать на сверхнизких частотах

- надёжную работу с большой нагрузкой

Недостатки схемы:

- малая частота мультивибратора

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

[pic 3]

Рисунок 3 – Схема мультивибратора на ПТ со светодиодами

Достоинство схемы:

- устойчивое самовозбуждение

- хорошая работа на высоких частотах

Недостатки схемы:

- большое время заряда конденсаторов

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

4 Разработка электрической структурной схемы мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом

Структурная схема разрабатывается после выполнения анализа задания и включает наиболее важные и существенные элементы, структуру и связи ЭУ. Структурная схема изображается в виде прямоугольников, показывающих все основные функциональные части ЭУ и основные взаимодействия между ними.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей устройства. На линиях взаимодействия рекомендуется стрелками показать направление действия сигналов или потоков энергии.

На схеме должны быть указаны наименования каждой функциональной части, если для ее обозначения применен прямоугольник, а не его графическое обозначение.

Допускается помещать на схеме поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие процессы во времени, а также указывать параметры в характерных точках (величины токов и напряжений, математические величины).

Структурная схема является первой моделью ЭУ.

В курсовом проекте должна разрабатываться структурная схема низшего уровня, состоящая из простейших функциональных элементов.

На основе проведенного анализа принципов построения  мультивибраторов выбрана  структурная схема мультивибратора на ПТ с управляющим p-n. Такого рода выбор обусловлен, возможностью такого мультивибратора достаточно хорошо видеть форму выходных импульсов, которая оказывается менее искажённой, благодаря высокому входному сопротивлению Согласно принципам построения мультивибраторов на ПТ с управляющим p-n переходом структурная схема должна состоять из следующих элементов:

1) Источник питания, обеспечивающий постоянное напряжение генератора прямоугольных импульсов.

2) Генератор прямоугольных импульсов, обеспечива-ющий получение прямоугольных импульсов, который включает в себя следующие элементы:

 1)  Цепь положительной обратной связи, на которой осуществляется передача части выходного напряжения на вход без дополнительного сдвига фазы только на одной частоте.

 2) Двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах, который обеспечивает высокий коэффициент усиления по мощности

Схема электрическая структурная расположена в графической части на листе 1.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

5 Разработка электрической принципиальной схемы мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом

Высокое входное сопротивление полевых транзисторов (ПТ) позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых емкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искаженной, а скважность больше, чем в мультивибраторах на БП транзисторах.

Для автоколебательных мультивибраторов наиболее подходят ПТ с управляющим p-n переходом, так как во время заряда конденсаторов напряжение на участке затвор – исток приложено в прямом направлении и поэтому сопротивление этого участка мало и малым становится время заряда конденсаторов.

 В мультивибраторе через резисторы RЗ подается небольшое отрицательное напряжение на затвор относительно истока, что повышает стабильность периода колебаний и длительность выходных импульсов (так же как в ламповом мультивибраторе с “положительной” сеткой). В отличие от мультивибратора на БП транзисторах работа устройства не нарушается, если резисторы RЗ включить между затвором и общей точкой (схема с “нулевым” затвором).

Схема самовозбуждается при подключения питающего напряжения UИЛ, она имеет два квазиустойчивых состояния, определяемых режимами работы транзистора, транзистор VT1(VT2) заперт, в то время как другой VT2(VT1) открыт, и управляющий p-n переход смещен в прямом направлении. Пусть мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии, в котором транзистор, VT1 открыт, а VT2 заперт.

При этом происходит быстрый заряд конденсатора C2 через резистор RC и открытый p-n переход транзистора VT1 с постоянной времени τu = C2R4. Одновременно конденсатор C1 разряжается через резистор R3 и канал открытого транзистора VT1. Постоянная времени разряда C1 τp1 ≈ C1RC >> τз2 определяет длительность полупериода, который заканчивается в момент, когда потенциал на правой обкладке конденсатора C1 и затворе транзистора VT2 возрастает до уровня порогового напряжения Uпор, отпирается. Под действием положительной обратной связи мультивибратор переключается в другое квазиустойчивое состояние (VT1 закрыт, VT2 открыт), в котором конденсатор C1 быстро заряжается, а C2 медленно разряжается.

Для обеспечения работоспособности такого мультивибратора при выборе типа транзистора и напряжения источника питания необходимо выполнить условие [pic 4]

Таким образом, структурная схема реализуется в принципиальную, функционально обеспечивая ее выполнение транзисторами мультивибратора.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

Принципиальную схему или ее фрагменты допускается вычерчивать в произвольном масштабе, обеспечивающем четкое представление о рассчитываемой цепи.

        Временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора показаны на рис. 5.1. В основных чертах принцип действия этого мультивибратора такой же, как и у лампового. От мультивибратора на БТ его отличает то, что во временно устойчивых состояниях равновесия разряд конденсаторов происходит практически только через резисторы RЗ и не до нулевого напряжения, а до значения, при котором напряжение на затворе становится равным напряжению отсечки Uзиотс ≈ 1÷6 В).

[pic 5]

Рисунок 5.1 - Временные диаграммы мультивибратора на полевых                         транзисторах с управляющим p-n переходом и p-каналом.

Схема электрическая принципиальная указана в графической части на листе 2

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

6 Расчет мультивибратора на ПТ с управляющим p-n

  1. Выбор транзистора. Для обеспечения временно устойчивых состояний равновесия необходимо выбирать транзисторы, у которых

                                                                                               (6.1)                                             [pic 6]

Где:
           Uсимакс - максимально допустимое напряжение сток-исток,

                Uзиотс - напряжение отсечки.

По справочнику выбираем ПТ КП103Л, имеющий следующие параметры:

При напряжениях Uси=10В и Uзи=0 ток стока Ic=3 - 6,6 мА, крутизна характеристики S=1.8 – 3.8 мА/В; ток затвора Iзут⩾ 20 нА, входная ёмкость C11n ⩽20пФ, проходная ёмкость C12n⩽8 пФ и рассеиваемая на коллекторе мощность P = 120 мВт. Рассчитаем средние значения напряжения отсечки и входного сопротивления.

                  Uзиотс ≈ 2() ≈ 2() ≈ 3,3 - 3,48 В                                 (6.2)[pic 7][pic 8]

        Для расчёта принимаем Uзиотс ≈ 3,4В. Это значение удовлетворительно согласуется с усреднёнными в Uзиотс ≈ 1÷6 В выходными характеристиками КП103Л

[pic 9]

         Рисунок 6.1 – Выбор сопротивления резистора RС в мультивибраторе по выходным характеристикам транзистора КП103Л

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

 Проверяем отношение

                                                                         (6.3)[pic 10]

         Среднее значение входного сопротивления

                                                                          (6.4)[pic 11]

2.Выбор сопротивления резистора Rc из условия получения максимальной амплитуды импульса. Для этого по уравнению uc.и.=uз.и.--Uзиотс строится кривая, определяющая границу между “триодными” и “пентодными” режимами ПТ. Принимая напряжение на затворе открытого транзистора Uзи 0, проводим прямую через точку uс.и.=Uзиотс при Uзи 0 и точку uс.и.=Uсимакс EC 10В. Проверяем мощность, рассеиваемую в стоковой цепи открытого транзистора  [pic 12][pic 13][pic 14][pic 15]

              P = ICUси =                      (6.5)[pic 16]

                Амплитуды выходных импульсов

                      Uси1 Uси2 Ec – Uзиотс=10 – 3,4 = 6,6 В                           (6.6)[pic 17][pic 18]

                Принимаем Uси1 Uси2 6В и рассчитываем[pic 19][pic 20]

                                                (6.7)[pic 21]

3.Вычисление ёмкости большего из конденсаторов C2. Она должна быть такой, чтобы за время τu1=10 мкс он успевал зарядиться. Поэтому 3С2Rc ⩽ τu1 или[pic 24][pic 22][pic 23]

                                        (6.8)[pic 25]

4.Сопротивление резисторов 

               (6.9)[pic 26]

К

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

Полученное значение сопротивлений резисторов R3 удовлетворяет двум условиям: оно значительно меньше входного сопротивления транзистора (rвх=500 МОм) и значительно больше сопротивления открытого p-n перехода. Первое условие важно с точки зрения влияния входного сопротивления транзистора на период следования импульсов, а второе – для обеспечения на затворе (относительно истока) напряжения открытого транзистора, близкого к нулю.

5. Ёмкость конденсатора 

                  (6.10)[pic 27]

6.Длительность среза импульса

τС1  3 Rc C1 = 3 1,3 103 2700 10-12 = 10,5 мкс ≤ τС1зад                         (6.11)[pic 28][pic 29][pic 30][pic 31][pic 32][pic 33][pic 34]

    7.Длительность фронта импульса

 τф1 τф2  3Rc C0 , где С0  С11и + С12 + См = 20 + 8 + 20 = 48 пФ; (6.12)[pic 35][pic 36][pic 37]

 τф1 τф2  3 1,3 103 48 10-12 0,187 мкс;                                             (6.13)[pic 38][pic 39][pic 40][pic 41][pic 42][pic 43][pic 44]

при этих значениях τф1, τф1 форма импульсов будет хорошей.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

3 Выбор и обоснование элементной базы

  На основании приведенного выше расчета выбираем элементы (для электрической принципиальной схемы):

В качестве транзисторов Т1 и Т2 был взят полевой транзистор КП103Л.
Полевой транзистор был выбран со следующими значениями:

- структура - p-n;

- канал - p-типа;

- UСИ = 10 В;

- UЗИотс =  3,4В;

- ток затвора IЗут ⩽ 20 нА;

- входная ёмкость C11n ⩽ 20Пф;

- проходная ёмкость C12n ⩽ 8пФ;

- максимально допустима рассеивающая мощность коллектора:120 мВт.

В соответствии с рассчитанной емкостью С1 и С2 , были выбраны следующие конденсаторы соответственно:

 М47 Uном=10 В; С=120 пФ ±5% и П33 Uном=10 В;

 С=1200 пФ ±10% - удовлетворяющие нашим требованиям и расчетам.

В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов были выбраны следующие резисторы:

R3 = 39 кОм: МЛТ-0,125-39кОм±2%;

RC = 2,7 кОм С5-36,47-2700 Ом±2%;

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

Заключение

В ходе курсового проекта был рассмотрен литературный обзор, где изучили различные схемы мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом, их работу их особенности и функциональное назначение.

Изучили анализ исходных данных, где сравнивали и подобрали наилучшую схему мультивибратора на ПТ с управляющим p-n переходом для расчёта.

Выполнили разработку электрической структурной и принципиальной схемы который определяют полный состав элементов.

Был проведён расчёт, в результате которого по выбору элементной базы.

Для наглядности –электрическая принципиальная и структурные схемы приведены в графической части. Также изучены правила оформления курсового проекта.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист

Перечень ТНПА

ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

ГОСТ 2.104-2006 ЕСКД Основные надписи.

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД Общие требования к текстовым документам 

ГОСТ 2.301-68   ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.302-68  ЕСКД. Масштабы.

ГОСТ 2.710-81 ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

ГОСТ 2.721-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.

ГОСТ 2.728-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.

ГОСТ 2.747-68 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

ГОСТ 3.1130-93 ЕСТД. Общие требования к формам и бланкам документов.

ГОСТ 3.1201-85 ЕСТД. Система обозначения технологической документации.

ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

ГОСТ 1494-77 Электротехника. Буквенные обозначения основных величин.

ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения.

СТО 07-2011  Правила выполнения текстовых документов.

зм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

КП01Р3б.05.00.00.000 ПЗ

Лист