Перехідні процеси в транзисторному ключі

В ідеальному випадку при переході транзистора з непровідного стану в провідний і навпаки, робоча точка навантажувальної прямої повинна миттєво переходити з положення 1 в положення 2 і також повертатися назад. У реальному випадку цей процес займає певний час. В результаті струм колектора в комутуючому ланцюзі, при закриванні і при відкриванні транзистора, змінюється не миттєво, а як наслідок при дії на вході прямокутних імпульсів, форма імпульсів на вході буде відмінна від прямокутних.

При миттєвій зміні струму бази, струм колектора не може змінитися миттєво, тому що струм колектора обумовлений дифузією від емітера до колектора неосновних носіїв.

Ця інерційність обмежує і діапазон робочих частот транзистора верхньою граничною частотою, на якій коефіцієнт передачі за струмом знижується до рівня 0,707 від значення на низьких частотах.

Чим більша величина струму бази, тим швидше струм колектора досягне струму колектора насичення і тим менше буде тривалість вихідного фронту (при цьому U_КЕ знижується від E_Ж до U_зал). Перевищення вхідним струмом бази рівня І_Бнас створює в базі транзистора накопичення надлишкового заряду. Накопичення надлишкового заряду в базі буде впливати на процес закривання транзисторного ключа. Так в момент часу, коли зміниться полярність вхідного сигналу (на вхід ключа надійде закриваюча напруга), за рахунок накопичився надлишкового заряду, виникає зворотний струм бази, під дією якого відбуватиметься розсмоктування надлишкового заряду. Однак до тих пір, поки в базі буде присутній надлишковий заряд, транзистор буде знаходитися в режимі насичення, він буде відкритий і почне закриватись лише коли надлишковий заряд повністю розсмокчеться і напруга на базовому переході почне знижуватись.

Підвищення швидкодії транзисторних ключів

Д ля підвищення швидкодії транзисторних ключів необхідно знайти компроміс між двома взаємовиключаючих підходів: для зменшення часу вмикання ключа (перепад U_КЕ від E_Ж до U_зал) необхідно забезпечити струм бази; для забезпечення зменшення часу вимикання ключа (перепад U_КЕ від U_зал до E_Ж) необхідно забезпечити струм бази І_Б ‹ І_Бнас. Існують кілька схем транзисторних ключів, які дозволяють включати ключі струмом бази І_Б › І_Бнас, але не доводити транзистор до насичення, чим скорочувати час вимкнення ключа: схеми із нелінійним зворотнім зв’язком; схеми з переходом Шоткі; схеми з диференціюючою RC-ланкою.

Схема із нелінійним зворотнім зв’язком. Коли транзисторний ключ закритий (рис. 6.), то напруга колектора близька до + E. При цьому потенціал на катоді діода вище ніж потенціал на аноді. Діод закритий і не впливає на роботу схеми.

Коли ключ відкритий – транзистор знаходиться в насиченні напруга U_КЕ = U_зал, потенціал катоду нижчий потенціалу аноду, діод відкривається та за рахунок нелінійного зворотного зв'язку, через діод VD, відбувається автоматичне підтримування струму бази на рівні струму насичення. Такий режим роботи називається ненасиченим режимом (s = 1), а такий ключ називають ненасиченим ключем. Ненасичений ключ має найбільш високу швидкість вимикання ключа.

С хема із застосуванням діоду Шоткі. Діод Шоткі включається паралельно колекторному переходу рис. 7. Властивість діоду Шокті - менше значення прямої напруги ніж у напівпровідникових переходах. Коли ключ відкривається, а транзистор прагне перейти в режим насичення, колекторний перехід і діод Шоткі зміщуються в прямому напрямку, але завдяки меншій прямій напрузі діод Шоткі фіксує пряму напругу на паралельному до нього переході база – колектор на рівні меншому ніж в режимі насичення. Ненасичений ключ має найбільш високу швидкість вимикання ключа.

С хема із диференціюючою RC-ланкою. Ємність С в моменти часу, що відповідають включенню та вимкненню ключа, створює нетривале збільшення струму бази. В омент відкривання транзистора базовий струм протікає через R_Б’, конденсатор С, перехід база-емітер та перевищує струм насичення І_Б › І_Бнас, що скорочує час вмикання ключа. Через деякий час конденсатор заряджається і базовий струм протікає вже через R_Б’, R_Б “ та перехід база-емітер, тому перед закриванням ключа транзистор знаходиться не в режимі насичення, а на межі між активним режимом та режимом насичення. В момент закривання ключа транзистор закривається великимзворотним струмом, який протікає через перехід база-емітер, конденсатор С, R_Б’. Отже, відбувається швидке розсмоктування надлишкового заряду, а це призводить до швидкого зниження струму колектора. Цей спосіб досить широко застосовується для форсування роботи ключів.