3.1 Насыщенный ключ в схеме включения с общим эмиттером

Рассмотрим транзисторные ключевые схемы на биполярных транзисторах типов n-p-n и p-n-p (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Схемы включения биполярных транзисторов различной проводимости

В импульсных устройствах используются все основные схемы включения транзистора – ОЭ (общий эмиттер), ОБ (общая база), ОК (общий коллектор), схема «звезда» и инверсная схема включения, в которой меняются функциями эмиттер и коллектор транзистора. Однако наибольшее применение получили транзисторные ключи ОЭ.

На рис. 3.2 приведено семейство типичных выходных характеристик (а) и входная (б) характеристики биполярного транзистора n-p-n.

Рисунок 3.2 – Выходная и входная характеристики биполярных транзисторов

Выходные статистические характеристики показывают зависимость тока коллектора от тока базы и напряжения между коллектором и эмиттером транзистора . На этом же рисунке нанесена нагрузочная прямая АВ, соответствующая уравнению Кирхгофа для схемы ОЭ:

Координаты (I_к,U_к) точек пересечения нагрузочной прямой с характеристиками транзистора определяют режимы схемы. На этом же рисунке приведена входная характеристика транзистора . Рассмотрим схему включения насыщенного транзисторного ключа (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема насыщенного транзисторного ключа

Принцип работы этой схемы заключается в следующем: пока U_вх<U_пор (U_пор – пороговое напряжение транзистора) транзистор закрыт, коллекторный ток не протекает. Когда U_вх>U_пор транзистор открывается. Чтобы транзистор открылся, в базу нужно ввести неосновные носители зарядов, на что требуется определенное время. Из-за этого происходит запаздывание между моментом подачи входного воздействия и моментом отпирания (запирания) транзистора. При запирании надо время для вывода из базы неосновных носителей зарядов.

3.2 Статические режимы ключа

Различают следующие режимы работы транзисторного ключа:

• режим включения – транзистор работает либо в области насыщения, либо в активной области (рис.3.4а),

• режим выключения – транзистор закрыт (рис.3.4б).

(а) (б)

Рисунок 3.4 – Условное обозначение открытого (а)

и закрытого (б) транзисторного ключа

Режим выключения

Транзистор будет выключен, если U_бэ≤0 и U_бк≤0. Если обратное напряжение U_бэ = (3-5)φ_т, где φ_т – температурный потенциал (φ_т = 0.026В при Т = 20⁰С для германиевых транзисторов и φ_{т кр} ≈ 0.05 В для кремниевых), то этот режим называется режимом глубокой отсечки.

Режим включения

Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и через его электроды протекают прямые токи. Различают активную область и область насыщения включенного транзистора.

В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном, т.е. U_бэ>0 и U_бк<0.

Для схемы с ОЭ:

,

где β – статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ; I_ко – тепловой ток коллектора при обрыве эмиттера или неуправляемый ток коллектора.

Для схемы с ОБ:

, где .

Таким образом, в активной области ток коллектора линейно зависит от управляющего тока базы (тока эмиттера для схемы с ОБ). В области насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении.

,

.

Напряжение U_кн уменьшается с ростом β и составляет примерно несколько сотен милливольт. Напряжение насыщения базы U_бн составляет 0.2-0.4 В для германиевых транзисторов и 0.7-1.1 В для кремниевых. Напряжение на входе и выходе транзисторного ключа приведено на рисунке 3.5. Степень насыщения характеризуется коэффициентом:

.

На границе насыщения S=1, т.е. i_б=I_бн. С увеличением S увеличивается его нагрузочная способность, уменьшается влияния дестабилизирующих факторов на выходные параметры ключа. Однако увеличение S приводит к ухудшению быстродействия ключа. В связи с большим разбросом β у разных экземпляров транзисторов условия насыщения должны выполняться для минимальных значений β, приведенных в справочнике.

Рисунок 3.5 – Напряжение на входе и выходе транзисторного ключа

,

где Q – заряд накапливаемый в базе; Q_гр – заряд на границе насыщения.

Напряжения U_бэ>0 и U_кэ>0. Процесс включения и выключения происходит с задержкой t. Это время ввода и вывода неосновных носителей зарядов. ( рис. 3.6) .

Рисунок 3.6 – Режимы переключения транзисторного ключа