Краткие теоретические сведения

Транзисторным ключом называют схему, назначение которой состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки, под действием управляющих сигналов.

Транзисторные ключи широко используются в импульсной и цифровой технике в качестве инверторов, а также как составные элементы более сложных импульсных схем (триггеров, мультивибраторов и т.д.).

 

Рассмотрим ключевой режим транзистора, включенного по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером (рис.1). Для выявления возможных режимов работы ключа на семейство выходных характеристик транзистора (рис.2) нанесена нагрузочная прямая, пересекающая координатные оси в точках E_K и E_K / R_K. При изменении входного тока рабочая точка X перемещается вдоль этой прямой, определяя своим положением ток коллектора I_K и напряжение U_K между коллектором и эмиттером. Положение рабочей точки на нагрузочной прямой определяет режим работы транзистора.

Режим отсечки, при котором транзистор закрыт и в цепи коллектора протекают малые токи, соответствует отрезку АБ нагрузочной прямой. Для обеспечения режима отсечки напряжение U_БЭ должно быть положительным, для этого в схему вводят дополнительный источник E_Б. При этом ток базы ,а ток коллектора

Определим напряжение на базе закрытого транзистора и выясним условия, при которых оно будет положительным:

(1)

Из (1) видим, что напряжение U_БЭ будет положительным, если

(2)

Условие (2) должно выполняться в самом худшем случае, т.е. при максимальной температуре, когда .Таким образом, режим отсечки обеспечивается выбором сопротивления резистора R и ЭДС источника Е:

(3)

 

Выходное напряжение в режиме отсечки практически совпадает с напряжением источника питания E_K, так как падение напряжения от тока на резисторе R_K обычно много меньше Е:

(4)

Отрицательноенапряжение, поданное на вход ключа, открывает транзистор. Рабочая точка X при этом перемещается вверх по нагрузочной прямой АГ (рис.2) в область активного усилительного режима и занимает одно из положений на отрезке БВ. Напряжение U_K уменьшается по абсолютной величине, так как ток коллектора I_K, возрастает при увеличении тока базы I_Б:

(5)

При некотором небольшом значении U_КЭ потенциал коллектора относительно базы оказывается положительным, и коллекторный переход смещается в прямом направлении, транзистор входит в режим насыщения (отрезок ВГ). Дальнейшее увеличение тока базы теперь не вызывает роста коллекторного тока, так как база теряет управляющее действие.

Для обеспечения режима насыщения необходимо подать на вход ключа отрицательное напряжение U такой величины, чтобы обеспечить ток базы I_Б > I_БН. Глубина насыщения характеризуется коэффициентом насыщения S = I_Б / I_БН, S =l,2 - 2,0.

Ток базы I_Б равен:

(6)

Ток насыщения базы I_БН равен:

(7)

Условие насыщения (I_Б > I_БН) должно выполняться в самых худших условиях, т.е. при минимальной рабочей температуре, когда β = β_min.

Следовательно, для перехода транзистора в режим насыщения должно выполняться условие:

(8)

отсюда:

(9)

Таким образом, режим насыщения обеспечивается выбором сопротивления резистора R и амплитудой входного напряжения U_mВХ в соответствии с (9). В режиме насыщения через транзистор протекает максимальный ток I_K=I_KН,который ограничивается лишь сопротивлением резистора R_K:

(10)

где U_KH - напряжение U_КЭ насыщенного транзистора, которое мало и зависит от типа транзистора.

Следует помнить, что в режиме насыщения напряжение между всеми электродами транзистора оказывается небольшим по сравнению с ЭДС источника Е_K и напряжением U_BХ, поэтому насыщенный транзистор считают "стянутым в точку".

Теперь рассмотрим вопрос о переходных процессах в транзисторных ключах. В стационарном состоянии ключ может быть либо "включен", либо "выключен". От ключевой схемы требуется быстрый переход из одного состояния в другое. В транзисторных ключах основными факторами, определяющими длительность процесса переключения, являются инерционность транзистора и емкость схемы.

Рис. 3.

Рассмотрим процесс включения. Пусть в исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки. При поступлении на вход схемы в момент времени t_o отрицательного импульса напряжения U_bx (рис.3) эмиттерный переход транзистора открывается, и базовый ток скачком достигает значения I_Б1 которое определяется по формуле (6).

Коллекторный ток в соответствии с переходной характеристикой транзистора будет нарастать по закону:

(11)

где τ_В – постоянная времени, которая определяется эффективным временем жизни неосновных носителей в базе. В момент времени t коллекторный ток достигнет значения I_K=I_KH, а напряжение U_КЭ значения U_KH. Начиная с момента времени t₁, транзистор будет насыщен, а ключ включен. Длительность стадии включения равна:

(12)

Из (12) видно, что для ускорения включения необходимо обеспечивать, возможно, больший ток включения I_Б1. При этом рабочая точка заходит глубоко в область насыщения и в области базы происходит накопление избыточного заряда неравновесных носителей – дырок.

Рассмотрим процесс выключения ключа, который состоит из стадий рассасывания избыточного заряда в базе t_Р и стадии закрывания транзистора t_ф, т.е. t_выкл = t_Р + t_ф. Для выключения ключа в момент времени t ₂ отрицательное входное напряжение скачком уменьшается до нуля, при этом в цепи базы появляется обратный ток

(13)

Заряд в базе начинает убывать. Пока происходит рассасывание избыточного заряда, сохраняется режим насыщения и ток коллектора не меняется. В момент времени t_З избыточный заряд возле коллекторного перехода рассасывается и рабочая точка нагрузочной прямой переходит в активную область. Длительность стадии рассасывания:

(14)

С возвращением рабочей точки в активную область начинают убывать по экспоненциальному закону ток коллектора от начального значения I_КН до и напряжение U_K (от значения U_KH до -E_K). К моменту времени t₄ рассасывается избыточный заряд возле эмиттерного перехода, обратный ток базы уменьшается от значения

до

Длительность стадии запирания транзистора равна:

(15)

Из (14) и (15) видно, что для уменьшения времени выключения необходимо обеспечивать большой обратный ток базы (ток выключения) и уменьшать степень насыщения транзистора S. Большой ток включения , повышающий степень насыщения транзистора, замедляет процесс выключения.

Отметим, что на длительность стадий t_вкл и t_выкл влияет барьерная емкость коллекторного перехода С_K и емкость нагрузки С_H. Для учета их влияния в формулах необходимо заменить τ_В на τ'_В:

(16)

где

Для повышения быстродействия ключа необходимо уменьшать время включения и выключения. Это достигается двумя способами:

1. Использованием “сильного” входного сигнала и выбором оптимальных параметров
схемы.

2). Применением более сложных схем, обладающих повышенным быстродействием.

Остановимся коротко на втором способе. Формулы (13) - (15) позволяют представить наилучшую, оптимальную с точки зрения быстродействия транзисторного ключа, форму базового тока (рис.4а). Последний велик () на этапе включения транзистора, равен требуемому значению после его насыщения и снова велик и противоположен по направлению при выключении транзистора. Интервалы t₁ и t₂ должны быть не менее требуемых времен t_вкл и t_ыкл соответственно.

Рис. 4б.

Рис. 4а.

Получить форму тока базы, близкую к идеальной, позволяет схема ключа с форсирующим конденсатором (рис.4б) с отрицательной нелинейной обратной связью (рис.6) и др. Первая схема относится к насыщенным транзисторным ключам, а вторая к ненасыщенным, поэтому для этой схемы длительность выключения мала, что обеспечивает высокое быстродействие.

Рис. 5.

Рис. 6.

ПОДГОТОВКА ПРИБОРОВ К РАБОТЕ