1. Cel ćwiczenia

(1)

Tranzystor jako klucz elektroniczny - Ćwiczenie 12

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z podstawowymi układami pracy tranzystora bipolarnego jako klucza elektronicznego. Bramki logiczne realizowane w technice RTL (Resistor Transistor Logic).

Przerzutnik astabilny (multiwibrator) - zasada działania.

2. Wykaz przyrządów

• zasilacz programowany,

• woltomierz cyfrowy,

• oscyloskop 2-kanałowy z pamięcią,

3. Przedmiot badań

• płytka montażowa z tranzystorami i rezystorami, pokazana na rysunku 1.

• płytka montażowa do badania przerzutnika astabilnego

Rys.1. Płytka montażowa

4. Wprowadzenie teoretyczne

Bramki RTL charakteryzuje prosta konstrukcja, co jest ich podstawową zaletą.

Zasadniczą ich wadą jest jednak mała odporność na zakłócenia. Baza każdego tranzystora jest bezpośrednio dostępna dla sygnałów zakłócających. Ze względu na jednostopniowy charakter wzmacniacza bramek, układy RTL cechuje nieduża obciążalność.

R^C₂=470

RE=10k

1

R^B₁=2,7k R^C₁=470

U

CC

masa

RE=390

2

RB ₂=2,7k BC211

T

2

BC211

T

1

(2)

Podstawowe dane techniczne bramek RTL zestawiono w poniższej tabeli:

zasilanie do 24 V poziom logicznego „zera” (0) < 0,3 V poziom logicznej „jedynki” (1) 5 ÷ 24 V

czas propagacji bramki ≤ 2 μs

moc strat 40 ÷ 100 mW

Podstawowym układem w technice RTL, w którym wykorzystuje się tranzystor bipolarny jako element logiczny, jest bramka NOT (inwerter), której schemat ideowy oraz tabelę stanów logicznych pokazano na rysunku 2. Punkt pracy tranzystora w tym układzie przyjmuje na charakterystyce IC = f(Uwy), pokazanej na rysunku 3, jedno z dwóch ściśle określonych położeń. Odpowiadają one odpowiednio:

• stanowi nasycenia - przez tranzystor przepływa wtedy maksymalny prąd kolektora IC

wynikający z wartości RC ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

C CE CC

C R

U

I U oraz

• stanowi zatkania - prąd kolektora IC jest wtedy prawie równy zeru.

Uwe Uwy

0 1 1 0

Rys.2. Schemat ideowy i tabela stanów logicznych bramki NOT

Rys.3. Charakterystyki wyjściowe tranzystora UCC=+5[V]

Uwy

Uwe

RB iB

RC

iC

T

UBE

B

C

E

UCE

UR c

iB 6 = max

iB 5

iB 4

iB 3

iB 2

iB=0 Stan zatkania Stan nasycenia

(0) (1)

UCC

U^CE[V]

Prosta rezystora RC

i^C [mA]

(3)

Rozpatrzmy dokładniej wspomniane dwa stany pracy tranzystora:

9 stan nasycenia:

• na wejście układu z rysunku 2 podajemy „jedynkę” logiczną (1), czyli U_WE =5V ,

• złącze baza-emiter tranzystora T jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia

(

U_BE ≈0,7V

)

,

• płynie prąd bazy IB, zależny od wartości rezystora RB ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

B BE WE

B R

U

I U ,

• tranzystor silnie przewodzi, aż do nasycenia (prąd kolektora I_C >βI_B, gdzie β- wsp.

wzmocnienia tranzystora),

• na rezystorze RC odkłada się napięcie URc, równe w przybliżeniu napięciu zasilającemu UCC (ponieważ napięcie UCE w nasyceniu ma znikomo małą wartość ok. 0,2V),

• napięcie wyjściowe:

RC

CC

WY U U

U = − , a więc 0U_WY =U_CE ≈ , czyli na wyjściu pojawia się „zero” logiczne (0).

9 stan zatkania:

• na wejście układu z rysunku 2 podajemy „zero” logiczne (0), czyli U_WE =0V,

• złącze baza-emiter tranzystora T nie jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia,

• prąd bazy IB = 0,

• tranzystor nie przewodzi prądu IC≈ 0 (w szczególności płynie znikomo mały prąd blokowania),

• napięcie na rezystorze RC jest w przybliżeniu równe zero

(

UR_C ^≈⁰

)

,

• napięcie wyjściowe:

RC

CC

WY U U

U = − , a więc U_WY =U_CE ≈U_CC, czyli na wyjściu pojawia się „jedynka” logiczna (1).

Przerzutniki astabilne działają na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego w układzie dwustopniowego wzmacniacza oporowego, pokazanego na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat ideowy przerzutnika astabilnego zbudowanego z elementów dyskretnych

R4

R1

C1 C2

T1 T2

U2

U1

R3 R2

UCC=+5[V]

U_B

1 U_B

2

R4 R5 R2

C2 D

(4)

Oba elementy wzmacniające (tranzystory) pracują na przemian bądź w stanie nasycenia bądź w stanie zatkania, dlatego napięcia otrzymywane na obu wyjściach przerzutnika są odwrócone względem siebie o 180⁰. Istnienia dodatniego sprzężenia zwrotnego powoduje, że przeskoki punktów pracy tranzystorów są bardzo szybkie, zależą tylko od górnej częstotliwości granicznej tranzystorów i dlatego nazywane są przerzutami. Dzięki szybkim przerzutom zmiany napięć wyjściowych w czasie są prawie prostokątne. Przerzutniki astabilne (multiwibratory) samoczynnie wytwarzają więc ciąg impulsów prostokątnych, jak pokazano na rysunku 5, zwany falą prostokątną.

Rys. 5. Przebiegi napięć w przerzutniku astabilnym, przy założeniu, że: τ₂ =2τ₁ Okres drgań przerzutnika astabilnego zależy od elementów sprzężenia zwrotnego wg wzoru:

2

1 τ

τ +

= T gdzie: τ₁ =0,7R₄C₂, τ₂ =0,7R₃C₁, czyli

UCC

-UCC

R3C4

t U_B₂

UCC

U2 R2C2

t UCC

-UCC

U_B₁

0,7 V

R4C2

t

UCC

U1

0,2 V

T t

R1C1

(5)

) (

7 ,

0 R₄C₂ R₃C₁

T = +

Jeżeli chcemy otrzymać drgania symetryczne (τ₁ =τ₂) to przerzutnik musi być symetryczny, a więc R1=R2, R3=R4, C1=C2.

Wadą omawianego przerzutnika jest powolne narastanie napięcia wyjściowego spowodowane ładowaniem kondensatów przez rezystancje kolektorowe R1 i R2. Można tę wadę usunąć przez włączenie diody D i rezystora R5 w obwód ładowania kondensatora C (uzupełnienie rysunku 4).

5. Przebieg ćwiczenia

5.1. Badanie bramek logicznych RTL

a) wykorzystując płytkę montażową zbudować kolejno układy pomiarowe dla każdej badanej bramki wg schematów ideowych pokazanych na rysunkach 6, 7a, 7b, 8, 9 i 10, b) podłączyć woltomierz cyfrowy na wyjściu badanej bramki,

c) po sprawdzeniu poprawności montażu podłączyć do układu napięcie UCC=+5V z zasilacza programowanego,

d) uzupełnić podaną poniżej tabelę stanów logicznych podając na wejścia badanej bramki określone kombinacje zer i jedynek oraz mierząc napięcie wyjściowe za pomocą woltomierza, e) zeru logicznemu (0) odpowiada napięcie o wartości ok. 0V, natomiast jedynce logicznej

(1) odpowiada napięcie o wartości ok. 5V.

Tabela stanów logicznych badanej bramki Uwe1 Uwe2 Uwy [V] Uwy

0 0 0 1 1 0 1 1 5.2. Badanie przerzutnika astabilnego (multiwibratora)

a) wykorzystując płytkę montażową skonfigurować układ dla wybranych wartości rezystorów i kondensatorów, wg schematu pokazanego na rysunku 4,

b) po sprawdzeniu poprawności połączeń zasilić układ napięciem UCC = +5V,

c) przy pomocy oscyloskopu zaobserwować i zapamiętać przebiegi napięć na obu wyjściach przerzutnika,

d) dokonując kolejno zmian wartości: rezystora R1, potem rezystora R3, a następnie kondensatora C1, zaobserwować (dla każdej zmiany osobno) ich wpływ na kształt i okres generowanych przebiegów wyjściowych,

e) zarejestrować otrzymane z przebiegi, wykorzystując do tego celu komputer z przygotowanym oprogramowaniem,

f) wyznaczyć okres generowanych drgań wg wzoru:

(

₄ ₂ ₃ ₁

)

7 ,

0 R C R C

T = +

a następnie porównać otrzymany wynik z okresem zmierzonym przy pomocy oscyloskopu.

(6)

6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: zrealizowane na zajęciach struktury bramek wraz z ich tabelami stanów logicznych, opis działania wybranej bramki dla dwóch różnych stanów na jej wyjściu, przebiegi sygnałów wyjściowych i obliczenia okresu generowanych drgań dla przerzutnika astabilnego oraz wnioski końcowe.

7. Schematy ideowe badanych bramek

Rys.6. Bramka NOT

Rys.7a. Bramka NOR

Uwy

Uwe1

T1

iC

UCC=+5[V]

Uwe2

R^B

R^B i^B

i^B R^C

2 2

1 1

1

UCC=+5[V]

Uwy

Uwe

iB

iC

T1

R^B

R^C

1

(7)

Rys.7b. Bramka NOR (druga wersja)

Rys.8. Bramka OR

Rys.9. Bramka NAND Uwe1

RB iB

Uwy

RC

T1 T2

UCC=+5[V]

Uwe2

RC

2 2

1 1

1 2

UCC=+5[V]

Uwy

Uwe1

RB iB

iC

RC

Uwe2

RB iB

T2

T1

2 2

1 1

1

U we1

R B U wy

T ¹

T 2

U ^CC =+5[V]

U ^we2

R ^C

2

1

R ^B1 i B 1

i _B2

i C

(8)

Rys. 10. Bramka AND

Uwy

Uwe1

RB iB

Uwe2

RB iB

T1

T2

iC

UCC=+5[V]

RE

2 2

1 1