Тема 3. Расчет параметров транзисторных ключей

Цель занятия: Расчет статического и динамического режима работы ключа

Транзисторный ключ – это схема коммутатора, служащая для замыкания и размыкания цепи с нагрузкой под действием логического сигнала управления.

Современная импульсная и цифровая техника основана на работе транзисторов (VT) в ключевом режиме. Большинство ключей строят по схеме включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ). В цифровых схемах часто применяют ключи на транзисторах n-р-n-типа, но при этом, все рассуждения и расчеты справедливы также для ключей на транзисторах р-n-p-типа; необходимо только учитывать изменение полярности включения источника ЭДС и направление токов в схеме.

Простейшая схема ключа представляет собой транзисторный каскад усиления, управляемый перепадом входного логического напряжения (рис. 3.1).

3.1. Статический режим. Схема ключа на транзисторе n-p-n-типа - на (рис. 3.1,а).

Рис. 3.1. а) Схема ключа; б) ВАХ работы транзистора.

В базовой цепи транзистора включены источник входного управляющего напряжения U_ВХ и резистор R_Б, а в коллекторной цепи - источник постоянного напряжения Е_К и резистор R_К. Изменяя входное напряжение U_ВХ, можно управлять током коллектора I_К и, следовательно, напряжением U_ВЫХ на выходе ключа.

Ключевая схема в статическом режиме описывается статической передаточной характеристикой U_ВЫХ = f(U_ВХ), представленной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Статическая передаточная характеристика.

Статическая передаточная характеристика снимается при относительно медленных изменениях тока и напряжения на входе схемы.

Нагрузочная прямая А-Б по постоянному току описывается Ур-нием (рис. 3.1,б):

U_КЭ = Е_К – (I_К∙R_К) (3.1)

и строится так же, как для исследования диодов и усилительных каскадов.

Точки пересе­чения нагрузочной прямой с ВАХ транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Во время работы схемы транзистор может находиться только в одном из 2-х режимов (состояний): либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Режим отсечки (запирание) обеспечивают по­дачей на вход схемы напряжения

U_ВХ. = U_Б.Э ≤ 0.

При входном напряжении U_ВХ отрицательной полярности (U_ВХ. = U_Б.Э ≤ 0) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор работает в режиме отсечки (ключ разомкнут, сопротивление перехода r_ЭК более 100 кОм), ток в коллекторной цепи очень мал (I_КБО ≈ 10 мкА), а напряжение на выходе:

близко к напряжению питания Е_К:

U_ВЫХ = E_К - I_КБО·R_К. ~ E_К. (3.2)

Режиму отсечки транзистора ­отвечает участок от точки А до точки 1 на рис. 3.1,б.

Типовые значения U_БЭ для закрытого транзистора n-p-n и p-n-p типов:

для n-p-n VT: U_Б.Э ≈ 0. для p-n-р VT: U_БЭ = + 0,5...1 В;

Из выр. (3.2) условие запирания транзистора можно записать в виде:

U_{ВХ.ЗАП(NPN)} > I_КБ.о∙R_Б + (U_БЭ = 0); U_{ВХ.ЗАП(PNP)} ≥ I_КБ.о∙R_Б + (U_БЭ = +0,5…1 B)

Активная область. Режим открытого состояния

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания U_ОТП = U_БЭ.Si ≥ 1В, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную область. Выходное напряжение определяют соотношением

U_ВЫХ = Е_К – I_К·R_К = Е_К – (β·I_Б.ОТП)·R_К, (3.3)

где β - коэффициент усиления базового тока, а I_Б.ОТП - отпирающий базовый ток.

I_Б.ОТП = (U_ВХ–U_ОТП)/R_Б (3.4)

При достаточно большом положительном напряжении U_ВХ = U_БЭ.Si ≥ 1В

выполняется условие насыщения транзистора.

β ·I_Б.ОТП ≥ I_К.Н, I_Б = I_К/β = (E_К/R_К)·β (3.5)

Очевидно, наихудшим для условия (3.6) будет соче­тание, когда Е_К → Е_К.Мах.,

а R_К и β – минимальны. Тогда условие (3.6) будет иметь вид:

I_БН  (Е_К.Мах/R_К.Мин.)/β_Мин.. (I_БН > I_Б) (3.6)

Открытое (активное и насыщенное) состояние транзистора соответствует точкам (2 и 3) на на­грузочной прямой (рис. 3.1,б). В этом состоянии через VT и резистор R_К, согласно (3.1), протекает ток I_КН насыще­ния коллектора.

I_К = I_КН = (E_К – ΔU_КЭ)/R_К = (E_К – U_ОСТАТ.)/R_К (3.7)

I_К.Н = (E_К – U_ОСТ) / R_К ≈ E_К / R_К.

где U_ОСТ = ΔU_КЭ = (0,1...1)В – остаточное напряжение на открытом переходе VT.

Ввиду относительно малого значения U_ОСТ по сравнению с напряжением Е_К расчет тока I_КН открытого транзистора можно проводить по формуле

I_КН ≈ E_К/R_К.

Если условие (3.7) не выполняется, т.е. I_БН < I_Б, то транзистор находится в активном режиме (например, точка 2 на участке между точками 3 и 1 - рис. 3.1,б).

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров, неравенство (3.7) должно удовлетворять условию I_БН > I_Б. Для обеспечения I_БН > I_Б вводят параметр S - степень насыщения (запас устойчивого отпирания)

S = (β ·I_Б.ОТП) / I_К.Н.. S = Y_21Э = h_21Э/h_11Э = (1,2÷2). (3.8)

Степень насыщения S характеризует запас на­дежного отпирания транзистора. Значение S = 1 соответствует промежуточной границе - между режимом насыщения и активным, при котором ток базы может составлять: I_Б.ГР. = I_К.Н / β.

При S > 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (U_БК > 0).

Условие насыщения транзистора примет вид: I_БН = S·I_Б = S·(E_К/R_К)·β (3.9)

В результате: R_Б = U_ВХ/ I_БН. (3.10)