4. Транзистор у режимі ключа

Найважливішими елементами сучасних схем автоматики і електронних обчислювальних машин є пристрої релейного типу. Їх головна особливість в тому, що під дією вхідного сигналу режим роботи таких пристроїв різко (скачкоподібно) змінюється. Це дозволяє здійснювати перемикання, або комутацію, різних електричних кіл схеми.

Перемикаючі пристрої релейного типу мають два стійкі положення, які можуть розглядатись як положення „ввімкнено” і „вимкнено”.

-Е_К

І_К

R_н

І_Б

VT

U_БК

R1

+

Е_Б

-

Рис. 2.3.11. Ключова схема транзистора

Транзистор є одним із найбільш розповсюджених елементів безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючому пристрої зазвичай називають ключовим. Цей режим характерний тим, що транзистор в процесі роботи періодично переходить із відкритого стану (режим насичення) в закритий (режим відсічки) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

На рис. 2.3.11 показана найпростіша схема ключа на транзисторі pnp, ввімкненого за схемою зі спільним емітером.

Закривання транзистора (режим відсічки) спостерігається в тому випадку, коли обидва p-n переходи (емітерний і колекторний) закриті. Для цього достатньо, щоб зворотні напруги на цих переходах були наближені до нуля ( біля 0,05,,,0,1 В). Із схеми (рис. 2.3.11) видно, що для закривання транзисторів типу pnp потрібно подати на його вхід таку напругу, щоб потенціал бази був вищим потенціалу емітера, тобто, щоб напруга U_БЕ між базою і емітером задовольняла нерівність U_БЕ > 0 (для транзисторів типу npn ця нерівність буде зворотною).

Н апруга U_КЕз на колекторі закритого транзистора дорівнює

де І_КБв – зворотний струм колектора. Зазвичай І_КБв∙R_н <<Е_К. Тому можна прийняти U_КЕз ≈ Е_К.

І_К І_К

І_Б5

І_Б4

ІІІ

І_Б3

А ІІІ

ІІ І_Б2 ІІ

І_Б1

І_Б=0 І І_{Б нас} І_Б

а _І В U_КЕ б

Рис. 2.3.12. Графічне пояснення роботи транзистора в ключовому режимі:

І – режим відсічки; ІІ – активний режим; ІІІ – режим насичення

В закритому стані транзистор може знаходитись необмежено довго. Вивести його із цього стійкого стану можна лише за рахунок зовнішніх дій, наприклад шляхом подання на вхід транзистора типу pnp запускаю чого імпульсу від’ємної полярності.

Другим стійким станом є режим насичення відкритого транзистора. Насичення наступає в тому випадку, коли обидва p-n переходи транзистора відкриті.

Н а рис. 2.3.12, а приведені вихідні статичні характеристики транзистора зі спільним емітером. В сімействі цих характеристик проведена навантажувальна пряма АВ, яка показує залежність струму колектора від напруги на колекторі при визначених значеннях Е_К і R_н. Величина струму колектора визначається головним чином величиною струму бази: чим більший струм бази (вхідний струм), тим більший струм колектора. При деякому значенні струму бази І_{Б нас} = І_Б4 колекторний струм досягає максимальної величини І_{К макс.} Така величина колекторного струму відповідає робочій точці А на рис. 2.3.12,а. При подальшому збільшенні струму бази струм колектора практично залишається незмінним. Тому І_Кмакс отримав назву струму насичення і позначається І_Кнас. Величина струму насичення відкритого транзистора може бути знайдена за формулою

(2.3.18)

Із рис. 2.3.12, а видно, що в області насичення (поблизу точки А) напруга між колектором і емітером, як і напруги між будь-якими іншими виводами транзистора, наближені до нуля.

На рис. 2.3.12, б показана залежність струму колектора І_К від струму бази І_Б. Із цього рисунка видно, що характеристика І_К = f (І_Б) має злами на межах області закривання (відсічки) і насичення. Це допомагає більш чіткій роботі перемикаючого пристрою. Слід, однак, мати на увазі, що при переході транзистора із одного стійкого стану в інший можливі перехідні процеси, які спотворюють форму імпульсних струмів і напруг в колах транзистора.