Основы импульсной и преобразовательной техники

О. М. Ростокина
Ю. Е. Котова
ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОЙ 
И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Допущено Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для учащихся учреждений 
образования, реализующих образовательные программы среднего 
специального образования по специальности «Техническое 
обслуживание электронных систем транспортных средств» 
Минск
РИПО
2023

УДК 621.38(075.32)
ББК 32.859я723
Р78
А в т о р ы:
старшие преподаватели кафедры «Промышленная электроника» 
УО «Гомельский государственный технический университет 
имени П. О. Сухого» О. М. Ростокина, Ю. Е. Котова. 
Р е ц е н з е н т ы:
цикловая комиссия учебных предметов профессионального компонента 
УО «Гомельский государственный автомеханический колледж» (В. А. Осадчий); 
заведующий кафедрой теоретических основ электротехники УО «Белорусский 
государственный университет информатики и радиоэлектроники» 
кандидат технических наук В. И. Журавлев.
Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 
части не может быть осуществлено без разрешения издательства.
Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь.
Ростокина, О. М.
Р78
Основы импульсной и преобразовательной техники : учеб. 
пособие / О. М. Ростокина, Ю. Е. Котова. – Минск : РИПО, 
2023. – 179 с. : ил.
ISBN 978-985-895-141-2.
В учебном пособии рассмотрены типовые схемы и основные характеристики транзисторных ключей, мультивибраторов, триггерных устройств, 
выпрямителей, стабилизаторов постоянного напряжения, приведены основные методы анализа, синтеза и расчета импульсных и преобразовательных 
устройств.
Предназначено для учащихся учреждений образования, реализующих образовательные программы среднего специального образования по 
специальности «Техническое обслуживание электронных систем транспортных средств».
УДК 621.38(075.32)
ББК 32.859я723
ISBN 978-985-895-141-2  
 
 
	     
          
	
© Ростокина О. М., Котова Ю. Е., 2023
	
	
	
	
© Оформление. Республиканский институт
	
	
	
                 
профессионального образования, 2023

Предисловие 
Импульсные и преобразовательные устройства широко служат для тех или иных 
целей в различных областях науки и техники. Импульсная техника тесно связана с контрольно-измерительной и цифровой информационно-вычислительной техникой, в которых используют сходную элементную базу и принципы построения. Используют ее и 
в электротехнической промышленности. Автоматические системы контроля и дистанционного управления электростанций основаны на применении цифровых телеметрических систем, которые позволяют наблюдать за процессами и управлять объектами, 
находящимися за сотни километров от пункта управления. Область использования 
преобразовательных устройств – преобразование параметров электрической энергии 
(преобразование переменного тока и напряжения в постоянное, их дальнейшая стабилизация, регулирование и при необходимости преобразование постоянного тока в 
переменное). Внедрение прогрессивных технологий построения функциональных узлов и устройств импульсной и преобразовательной техники требует глубоких знаний 
предмета. 
Целью данного учебного пособия является формирование знаний и практических навыков по применению широко используемых импульсных схем и устройств, 
аналоговых элементов электронной техники, на основе которых строятся устройства 
промышленной электроники, автоматики и информационно-измерительной техники. 
Отличительной особенностью книги является системное изложение преобразовательной и импульсной схемотехники с учетом современных требований разработчиков аппаратного ПО.
В результате изучения учебной дисциплины учащиеся должны знать на уровне 
понимания базовые элементы импульсных установок: ключевые схемы на транзисторах, основные логические элементы и их характеристики, мультивибраторы, блокинг-генераторы и генераторы линейно-изменяющейся формы, триггерные устройства, а также основы проектирования и анализа устройств промышленной электроники, автоматики и преобразовательной техники: выпрямителей, стабилизаторов 
постоянного напряжения, инверторов, конверторов и преобразователей частоты. Для 
изучения материалов учебного пособия необходимы знания полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники и микросхемотехники.
Учебное пособие может быть полезным при изучении курсов, в которых импульсная и преобразовательная техника являются составной частью.
В конце глав приводятся контрольные вопросы, на которые учащимся рекомендуется ответить, чтобы обратить внимание на главное и ликвидировать пробелы в 
изучаемом материале.
3

КЛЮЧИ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Глава 1. 
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КЛЮЧАХ
Базовыми элементами импульсных установок являются ключевые схемы, которые служат для формирования электрических 
импульсов прямоугольной формы. Они позволяют подключать и 
отключать нагрузку и таким образом коммутировать ток в нагрузке.
Под ключом понимают элемент, который под воздействием 
управляющих сигналов осуществляет различные коммутации: 
включение и выключение пассивных и активных элементов, 
источников питания и др. 
Электронный ключ можно считать аналогией механического 
ключа. Рассмотрим работу схемы ключа (рис. 1.1).
+E
 
R
Р
S
Uвых
–E
Рис. 1.1. Структурная схема механического ключа
Ключевой элемент данной схемы (ключ S) замыкается и 
размыкается под действием внешней силы P. Если считать, что 
ключ  S идеален, т. е. его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю (Rзам → 0), а в разомкнутом бесконечно велико 
(Rраз  →  ∞), то напряжение Uвых, действующее на выходе цепи, 
при разомкнутом ключе примет значение: Uвых1 = Е, при замкнутом – Uвых2 = 0. 
4

1.1. Общие сведения о ключах
Рассмотрим характеристику, изображенную на рисунке 1.2. 
Положения точек 1 и 2 на графике соответствуют точкам на 
вольт-амперной характеристике (ВАХ) цепи при разомкнутом и 
замкнутом ключе соответственно. Положение этих точек можно получить, построив нагрузочную прямую методом холостого 
хода или короткого замыкания. При этом ось ординат можно 
рассматривать как ВАХ замкнутого ключевого элемента, а ось 
абсцисс – как ВАХ разомкнутого ключевого элемента. Амплитуда изменения напряжения на нагрузке или ключе Um равна разности абсцисс точек 1 и 2: 
Um = Uвых1 – Uвых2 = E.
 
Коэффициент использования напряжения питания для идеального ключа
и
1.
m
U
K
E
=
=
 
I
2
E 
/ 
R
R
Замкнут
1
0
Разомкнут
U
E
Рис. 1.2. Нагрузочная характеристика идеального ключа
Кроме рассмотренных двух статических состояний (включен 
(замкнут) и выключен (разомкнут)) ключевой элемент имеет два 
динамических состояния временных переходов: из включенного 
состояния в выключенное tвыкл и из выключенного – во включенное tвкл. Для идеального ключа tвыкл = tвкл = 0.
В действительности даже механический ключ не является 
идеальным. Он имеет сопротивление Rзам ≠ 0 во включенном состоянии и сопротивление Rраз ≠ ∞ в выключенном. Таким образом, при анализе цепи с замкнутым ключом указанный ключ 
можно заменить сопротивлением Rзам ≠ 0; при анализе цепи с 
разомкнутым ключом ключ можно заменить сопротивлением 
Rраз ≠ ∞. 
5

Глава 1. Ключи на транзисторах
Рассмотрим характеристику неидеального ключа (рис. 1.3). 
Режим включения соответствует точке 2 пересечения нагрузочной прямой с ВАХ включенного ключа. Однако при неидеальном 
ключе эта характеристика будет не совпадать с осью ординат, а 
иметь вид наклонной прямой. Ее наклон зависит от Rзам ≠ 0.
 
I
Rзам
E 
/ 
R
2
R
Rраз
1
0
U
Um
Рис. 1.3. Нагрузочная характеристика неидеального ключа
Аналогично точка 1 получается в результате пересечения нагрузочной прямой с прямой Rраз ≠ ∞. В данном случае Uвых1 < Е, 
Uвых2 > 0, т. е. Um < Е и Kи < 1.
1.2. КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе изображена на рисунке 1.4. Здесь входной управляющий сигнал Uвх(t), 
задающий базовый ток транзистора, выполняет ту же функцию, 
что и сила P (см. рис. 1.1), а транзистор VT – функцию ключевого 
элемента S.
Наибольшее распространение получил транзисторный ключ 
по схеме с общим эмиттером (см. рис. 1.4). Транзисторный ключ 
может находиться в одном из двух состояний: «выключено» 
(транзистор закрыт и ключ разомкнут) и «включено» (транзистор 
открыт и ключ замкнут).
Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение Uвх. Включенному состоянию соответствует низкий 
положительный уровень входного сигнала Uвх = U 0. Включенное состояние обеспечивается высоким положительным уровнем 
входного сигнала Uвх = U 1. Ключ удерживается в одном из состо6

1.2. Ключи на биполярных транзисторах
яний, пока на входе сохраняется определенный уровень сигнала. 
Резистор RБ ограничивает ток базы, RК – коллекторная нагрузка, 
+Е – источник коллекторного напряжения.
 
+E
+E 
RК 
RК
 
VT
VT
 
RБ
RБ 
Uвых(t)
Uвых(t)
UБЭ
Uвх(t)
UБЭ
Uвх(t) 
Рис. 1.4. Принципиальная схема простейшего ключа на биполярном транзисторе
Для анализа работы ключа на семейство выходных характеристик наносят нагрузочную прямую, отвечающую конкретному сопротивлению резистора RК и пересекающую координатные 
оси в точках Е и Е 
/ 
RК (рис. 1.5, а). При изменении базового 
тока рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяет 
в каждый момент времени коллекторный ток IК0, напряжение 
между коллектором и эмиттером UКЭ и режим работы транзистора. Отрезок от точки 1 до точки 3 соответствует выключенному 
состоянию ключа (в данном случае транзистора VT), отрезок от 
точки 2 до точки 4 – включенному состоянию ключа, т. е. насыщенному транзистору.
 
IК
4
 
IБ
2
E 
/ 
RК
 
 
IК0
1
3
 
U1
U2
UКЭ
E
UБЭ
а
б
Uпор
Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики транзистора:
а – выходные; б – входная
7

Глава 1. Ключи на транзисторах
Особенностью входных характеристик кремниевого транзистора является наличие достаточно большого порога отпирания Uпор (рис. 1.5, б). При напряжении на базе, меньшем порога 
отпирания, транзистор всегда закрыт.
В соответствии с функциями ключа транзистор может находиться в одном из двух статических режимов: отсечки (транзистор закрыт) и насыщения (транзистор открыт и насыщен). Активный режим работы обусловлен переходом из одного статического режима в другой.
В режиме отсечки (транзистор закрыт) на входе действует 
малое напряжение U 0. В этом режиме ток коллектора IК0 равен 
обратному току коллекторного перехода. Напряжение на выходе ключа практически равно напряжению источника питания 
Uвых = Е (при определении Uвых необходимо просуммировать все 
напряжения, проходя по внешней цепи от коллектора к эмиттеру).
Рабочая точка находится на нагрузочной прямой в точке 3 
(см. рис. 1.5, а). Для обеспечения такого режима в кремниевых 
транзисторах необходимо выполнить условие:
Uпор > Uвх = U 0.
(1.1)
Напряжение UБЭ, приложенное к базе транзистора, определяют, проходя от базы к эмиттеру по внешней цепи (см. рис. 1.4). 
Оно равно сумме двух составляющих: падения напряжения на 
сопротивлении RБ от тока IК0 и остаточного напряжения источника входного сигнала Uвх = U 0, которое не равно нулю: 
UБЭ = Uвх + RБIК0.
(1.2)
Оба напряжения имеют одинаковую полярность и стремятся 
открыть эмиттерный переход.
Таким образом, формула для расчета напряжения на выходе 
ключа имеет вид
Uвых = U 0 + RБIК0,
(1.3)
а условие отсечки для кремниевых транзисторов можно определить величиной порогового напряжения Uпор > U 0 + RБIК0 или 
для входного напряжения
Uвх < Uпор – RБIК0.
(1.4)
При выполнении условия отсечки оба перехода транзистора 
будут закрыты. Коллекторный переход смещен в обратном на8

1.2. Ключи на биполярных транзисторах
правлении, так как напряжение на коллекторе равно Е. С учетом 
этого часто считается, что в режиме отсечки все выводы транзистора разъединены. Входное сопротивление должно соответствовать условию
вх
Б
К0 max
,
U
R
I
≤
(1.5)
где IК0 
max – максимальный ток коллектора.
Выражение (1.5) является условием надежного запирания 
транзистора в ключевом каскаде.
В активном режиме (транзистор открыт, но не насыщен) 
напряжение на входе лежит в пределах Uпор < Uвх < U1. В этом 
режиме транзистор находится короткое время, равное времени 
переключения из одного статического состояния в другое. Через 
электроды транзистора протекают прямые токи базы, коллектора и эмиттера. При изменении выходного напряжения Uвых меняется ток базы и рабочая точка перемещается по нагрузочной 
прямой от точки 1 к точке 2 (см. рис. 1.5, а). Входной (базовый) 
и выходной (коллекторный) токи связаны между собой линейно 
с помощью статического коэффициента передачи тока в схеме с 
общим эмиттером. Напряжение на выходе равно разности напряжений источника коллекторного питания Е и падения напряжения на RК от тока коллектора, протекающего через коллекторный переход: 
Uвых = Е – IК0RК.
(1.6)
С увеличением тока возрастает коллекторный ток. Это ведет 
к падению напряжения на резисторе RК, а следовательно, и к 
уменьшению напряжения на коллекторе: UК = Uвых. При некотором токе базы, называемом током базы в режиме насыщения IБ нас, 
рабочая точка попадает в точку 4 (см. рис. 1.5, а), которой соответствует значение коллекторного тока IК 
нас, называемое током 
коллектора в режиме насыщения, и транзистор переходит в режим 
насыщения.
В режиме насыщения (транзистор открыт и насыщен) на входе действует напряжение U 1, которое вызывает появление тока, 
втекающего в базу IБ > IБ 
нас. Этот ток соответствует границе 
между активным режимом и режимом насыщения (точка 2 на 
рис. 1.5, а). В данной точке тoк базы еще связан линейной зависимостью с током коллектора.
9

Глава 1. Ключи на транзисторах
В режиме насыщения транзистор полностью открыт, т. е. оба 
перехода смещены в прямом направлении и коллекторный ток 
ограничивается только резистором RК. Пренебрегая падением 
напряжения на открытом транзисторе, можно записать 
К нас
.
E
I
R
=
(1.7)
К
Выходное напряжение ключа Uвых = U0, где U0 – остаточное 
напряжение на коллекторе открытого транзистора.
Условие насыщения транзистора в общем виде:
IК ≤ βIБ,
(1.8)
где β – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с 
общим эмиттером. 
Учитывая выражения (1.7) и (1.8), получаем
вх
,
U
Е
R
R
≤β
(1.9)
К
Б
откуда можно определить условие насыщения транзистора относительно входного сопротивления:
вх
Б
К.
U
R
R
Е
≤β
(1.10)
При равенстве Uвх = Е условие (1.10) упрощается и принимает вид 
RБ ≤ βRК.
(1.11)
Выражение (1.11) определяет условие насыщения транзистора в ключевом каскаде. Условие насыщения должно выполняться для всех значений коэффициента β транзистора выбранного 
типа, включая и минимально возможное. Таким образом, условие для расчета сопротивления RБ может быть записано следующим образом: 
вх
Б
min
К.
U
R
R
Е
= β
(1.12)
Транзистор будет насыщен при выполнении условия (1.12). 
Однако этот случай соответствует границе насыщенного режима. 
Незначительные изменения параметров схемы (увеличение  RБ 
или уменьшение RК) могут привести к выходу транзистора из 
режима насыщения, поэтому граничное значение RБ обычно не 
10