6.9. Пример транзисторного ключа

При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения (разомкнутый контакт). Источник положительного напряжения смещения вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока I_КО, проходящего через цепь нагрузки.

Рис. 6.23. Схема включения транзисторного ключа

Состояние насыщения аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора близок к отрицательному значению напряжения U_К, в открытом – положительному. Для обеспечения режима насыщения необходимо выполнить условие:

I_{Б нас}  I_{К нас}/_мин,

где I_{К нас} – ток коллектора в режиме насыщения,

_мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.

Ток эмиттера I_Э появляется практически мгновенно, его задают в ключевых схемах на 20-30% больше номинального тока I_{Э ном}. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение

, (6.8)

называется коэффициентом (глубиной) насыщения.

Временные диаграммы изображены на рис. 6.24.

Ток в цепи коллектора появляется позже на время задержки включения (t₁-t₂), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают.

Разность (t₃-t₂) – время фронта импульса коллекторного тока на уровне I_К=I_кнас, при этом заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи.

Разность (t₄-t₃) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.

T₄ – момент окончания переходного процесса в транзисторе.

Разность (t₄-t₁) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода.

Разность (t₆-t₅) – время задержки включения, при котором I_К=I_Кнас.

Рис. 6.24. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа

Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток, вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента t₇. После момента t₅ – подача запирающего напряжения в коллекторной цепи и момента времени t₇ в цепи эмиттера, токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе.

T₈ – момент завершения переходного процесса.

Разность (t₈-t₆) – время спада импульса коллекторного тока.

6.10. Малосигнальные и собственные параметры транзисторов

В настоящее время получил распространение метод расчета параметров транзистора при замене его линейным четырехполюсником, но транзистор нелинейный элемент. Поэтому замена его линейным четырехполюсником (рис. 6.25) справедлива лишь для области малых сигналов, когда участки характеристик, связывающих напряжение и токи, малы и их нелинейностью можно пренебречь. Режимом малого сигнала называется такой режим, при котором изменение входного сигнала на 50% вызывает изменение выходного сигнала не более, чем на 10% от его предыдущего значения.

Рис. 6.25. Схема четырехполюсника

Для транзистора как четырехполюсника, в качестве независимых переменных обычно принимают приращение I₁ и U₂, а приращение U₁ и I₂ выражают через h-параметры транзистора:

U₁ = h₁₁  I₁+h₁₂  U₂,

I₂ = h₂₁  I₁ + h₂₂  U₂.

Значение h-параметров, в пределах линейных частей характеристик, соответствует частным производным при равенстве нулю второго слагаемого в правой части уравнения.

h₁₁ – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи

(6.9)

h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутой входной цепи

(6.10)

h₂₁ – коэффициент усиления по току при короткозамкнутой выходной цепи

(6.11)

h₂₂ – выходная проводимость при разомкнутой входной цепи

(6.12)

Для определения h-параметров, на входе осуществляют режим холостого хода, а на выходе – режим короткого замыкания по переменной составляющей тока или напряжения. Это должно быть, сделано так, чтобы изменение режима работы транзистора по переменной составляющей не отражалось на выбранном и установленном его режиме по постоянной составляющей. Для создания режима короткого замыкания по переменной составляющей между двумя выходными электродами включают конденсатор большой емкости, а для режима холостого хода включают реактор с большой индуктивностью или параллельный колебательный контур.

Рис. 6.26. Схема для измерения h-параметров

h-параметры зависят от выбранной рабочей точки, температуры и схемы включения транзистора по переменному току.

Транзистор можно описать и другими параметрами: если в качестве независимых переменных принять I₁ и I₂, а зависимых U₁ и U₂, то это схема z- параметров (z – полное сопротивление); если в качестве независимыми переменными принимаются U₁ и U₂, а в качестве зависимых – I₁ и I₂, то это система y-параметров. Системы z- и y-параметров применяются редко, вследствие затруднений, связанных с измерением этих параметров.

Если нельзя заменить нелинейную характеристику линейной, то, в области сильных сигналов, транзистор описывает собственные параметры, которые определяются по статическим ВАХ. Но значения собственных параметров пригодны для расчетов в диапазоне низких частот, где эти параметры являются активными и не зависят от частоты.