Рис. 2.58
2.14. Трехфазная несимметричная нагрузка, соединенная в звезду, подключена к симметричному трехфазному источнику питания с частотой 60 Гц: VAB=208∠0°, VBC=208∠-120° В и VCA=208∠120° В, полные сопротивления фазы ZA0=8∠30° Ом, ZB0=4∠-50° Ом, и ZCO=6∠20° Ом. Найдите три линейных тока и ток нейтрали. Подсказка: Из заданных полных сопротивлений определите значения X и R; затем преобразуйте каждое реактивное сопротивление X в L или С в зависимости от знака реактивного сопротивления. Убедитесь, что для фазы A: R=6,928 Ом и L=10,61 мГн; для фазы B: R=2,571 Ом, С=865,7 мкФ, а для фазы С: В=5,638 Ом и L=5,433 мГн.
SPICE имеет встроенные модели для биполярных и полевых транзисторов. Эти модели сложнее, чем модели, используемые в традиционных курсах электроники. Обычно студенты изучают схемы смещения и схемы усиления отдельно. Такое построение материала позволяет дать студенту более полное понимание методики расчета цепей постоянного тока и анализа на переменном токе для биполярных и полевых транзисторов. Поэтому сначала лучше не использовать встроенные модели при анализе транзисторных схем. Вместо этого мы будем применять упрощенную модель для прямосмещенного транзистора на постоянном токе.
Биполярные транзисторы (BJT) — первая тема, изучаемая в этой главе. На рис. 3.1 показана типичная схема смещения транзистора. Транзисторы типа npn кремниевые (Si) имеют коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером (ОЭ) hFE=80 и напряжение база-эмиттер VBE=0,7 В (типовые значения для активной области). Никакая иная информации о транзисторе при анализе не используется. Параметры элементов схемы: R1=40 кОм; R2=5 кОм; RC=1 кОм, RE=100 Ом и VCC=12 В.
Рис. 3.1. Типовая схема смещения транзисторов
Модели, предназначенные для расчета смещения
Чтобы использовать анализ на PSpice, мы предлагаем вам разработать подходящую модель для BJT. Она позволит вам находить статические значения напряжений и токов в схеме смещения. На рис. 3.2 показана такая модель наряду с другими компонентами, необходимыми для анализа. Она содержит источник тока, управляемый током (ИТУТ или CDCS), F с коэффициентом передачи hFE и независимый источник напряжения VA, моделирующий напряжение на активной области VBE.
Рис. 3.2. Модель смещения для биполярного npn-транзистора
Входной файл для этой схемы имеет вид:
Transistor-Biasing Circuit
VCC 4 0 12V
VA 1 2 0.7V
F 3 2 VA 8
R1 4 1 40k
R2 1 0 5k
RC 4 3 1k
RE 2 0 100
.OP
.OPT nopage
.END
Выполните анализ на PSpice; затем убедитесь, что V(3)=7,961 В и V(2)=0,4089 В, давая VCE=V3-V2=7,552 В. Нарисуйте на схеме стрелки, указывающие условные направления токов, затем вычислите ток коллектора:
Он должен быть равен 4,039 мА. А чему равен ток базы? Вы должны получить по току источника напряжения IВ=50,49 мкА. Вычислите IВ, используя значение hFE и сравните полученное значение с этим ответом. Вычислите ток эмиттера: IE= V2/RE. Он должен быть равен 4,089 мА, IЕ=IB+IС.
Если вас интересует получение токов непосредственно из результатов PSpice-анализа, вы можете использовать, как и ранее, команду печати с предварительной командой .DC, как показано в следующем входном файле:
Transistor -Biasing Circuit with Current Shown in Output File
VCC 4 0 12V
VA 1 2 0.7V
F 3 2 VA 80
R1 4 1 40k
R2 1 0 5k
RC 4 3 1k
RE 2 0 100
.DC VCC 12V 12V 12V
.OP
.OPT nopage
.PRINT DC I(RC) I(RE) V(3,2)
.END
При этом должно получиться I(RC) = 4,039 мА, I(RE) = 4,089 мА и V(3,2) = = 7,552 В, как и в предварительных вычислениях. Обратите внимание: вычислить токи при первом анализе было достаточно легко. Не слишком больших дополнительных усилий требует получение тока и при анализе на PSpice, однако у вас есть выбор.
Необходимо предварительное замечание перед исследованием условий смещения, приводящих к насыщению транзистора. Из теоретического курса, посвященного изучению транзисторов, вы должны вспомнить, что значения hFE в активной области и в области насыщения неодинаковы. Это означает, что если происходит насыщение, предсказанное значение IC, вычисленное с использованием hFE, для активной области будет слишком велико. Вы должны иметь в виду, что если рассчитанное значение VCE падает ниже нескольких десятых вольта, значит достигнуто условие насыщения. Несколько задач в конце главы касаются вопросов смещения транзистора, приводящих к работе в активной области или в области насыщения.
Мы представили модель смещения для кремниевого npn-транзистора. Эта модель может использоваться с различными конфигурациями смещения и многокаскадными усилителями. А можете ли вы самостоятельно изменить модель так, чтобы она стала пригодной для анализа:
а) кремниевых pnp-транзисторов;
б) германиевых pnp-транзисторов?
Расчет смещения для германиевого транзистора
В качестве другого примера на рис. 3.3 показана схема смещения для германиевого pnp-транзистора с hFE=60 и VBE=-0,2 В. Значения параметров элементов схемы: RF=50 кОм; RE=50 Ом; RC=1 кОм и VCC=-12 В. Заменив транзистор моделью PSpice, мы получим схему на рис. 3.4. Сравните изменения в ИТУТ по отношению к предыдущему примеру. Так как это pnp-транзистор, изменилось направление стрелки внутри источника. Теперь решите, какую информацию вы хотели бы получить из PSpicе-анализа. Входной файл может быть, например, таким:
Transistor -Biasing Circuit for pnp Ge
VCC 4 0 12
VA 1 2 0.2
F 1 3 VA 60
RF 2 3 50k
RE 1 0 50
RC 3 4 1k
.DC VCC 12V 12V 12V
.OP
.OPT nopage
.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)
.END
Рис. 3.3. Схема смещения для германиевого pnp-транзистора
Рис. 3.4. Модель смещения для германиевого pnp-транзистора
Проведите анализ; затем нарисуйте стрелки, показывающие условные направления токов для pnp-транзистора. Убедитесь, что IE=6,311 мА, а IВ=103,5 мкА. Почему некоторые из показанных токов резистора положительны, а другие отрицательны? Это необходимо согласовывать с порядком следования узлов в командах, вводящих R. Например, команда
RE 1 0 50
дает отрицательный ток I(RE). Это происходит потому, что ток в RE фактически течет от узла 0 к узлу 1. Внимательно следите за соответствием направления стрелок на схеме и порядком следования узлов в командах, вводящих резисторы во входном файле:
Transistor-Biasing Circuit for pnp Ge
VCC 0 4 12
VA 1 2 0.2
F 1 3 VA 60
RF 2 3 50k
RE 1 0 50
RC 3 4 1k
.DC VCC 12 12 12
.PRINT DC I(RC) I(RE) I(RF)
.OP
.OPT nopage
.END
Обратите внимание, что ток в RC на самом деле, скорее представляет собой ток эмиттера, чем ток коллектора. Вы понимаете почему? Ток коллектора показывается в выходном файле PSpice как ток источника тока, управляемого током, равный 6,208 мА. Сложите базовый ток с током коллектора и сравните сумму с током эмиттера.
Малосигнальная модель с h-параметрами для биполярных транзисторов
Точной моделью для биполярных транзисторов, широко используемой при анализе на малых сигналах, является модель в h-параметрах, показанная на рис. 3.5. Эта модель с соответствующими значениями используется для анализа схем с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) или общей базой (ОБ). Наша задача состоит в том, чтобы разработать версию этой модели, пригодную для использования в PSpice. Эта модель содержит ИТУТ для использования с hf и управляемого напряжением источника напряжения (ИНУН) для использования с hr. В модель на рис. 3.6 введен резистор RI для моделирования hi, E, чтобы определить hr, RO в качестве 1/h0, и F, чтобы определить hf.
