3.2. Динамический (переходный) режим работы ключа

При ступенчатом изменении U_ВХ в схеме ключа происходят переходные процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами:

t_ЗД.ФР. - задержка фронта; t_ФР - время фронта, t_СР - время среза [нс].

t_{НАК.ЗАР} - время накопления избыточного заряда [нс];

t_{РАС.ЗАР} - время рассасывания избыточного заряда [нс];

Д ля перехода транзистора из закрытого состояния в состояние насыщения требуется определенное время прохождения трёх этапов. Это вре­мя называют временем включения транзистора t_ВКЛ, в которое входит также время задержки фронта t_ЗД.ФР и длительность переднего фронта t_ФР:

t_ВКЛ = t_ЗД.ФР + t_ФР. [нс] (3.11)

Для быстрого включения VT требуется, чтобы заряд был введен в область базы, а для выключения, наоборот, заряд необходимо уда­лить из базы. Скорость переключения VT связана с време­нем протекания переходных процессов.

Рис. 3.3. Переходные характеристики

Время выключения t_ВЫК. содержит время задержки среза t_ЗД.СР (рассасывание) и время среза t_СР (задний фронт), т.е.

t_ВЫКЛ = t_ЗД.СР + t_СР. [нс] (3.12)

Длительности t_ВКЛ и t_ВЫКЛ характеризуют общее быстродействие тран­зисторного ключа. Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении входного сигнала показаны на рис. 3.3.

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого транзистора С_ВХ до напряжения отпирания U_ОТП.

Время задержки фронта можно определить также по другим параметрам:

t_ЗД.ФР = С_ВХ·R_Б ·ln [(E₁+ E₂) /(E₂ – U_ОТП)], [нс] (3.13)

*справ. U_Б.ОТП = [R_Б·Е_К/(R_К·β)], (U_ОТП.Si = U_ВХ > 0,8 ÷ 1В)

где С_ВХ равна сумме барьерных емкостей Э и К переходов транзистора:

С_ВХ = С_Э+С_К(Э) . (*справ. для мал. мощн. VT С_Э ≈ С_К =10 ÷ 100 пФ ≈ 5С_Б ) (3.14)

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток I_Б.ОТП, а ток коллектора экспоненциально нарастает

I_К(t) = β ·I_Б.ОТП·(1 – exp(-t/τ_А) ), (мА, мкА) (3.15)

где τ_А - эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость

нарастания коллекторного тока.

τ_А = τ_β+ τ_К. τ_β - время жизни неосновных носителей в базе [нс];

τ_К = С_К(э)·R_К - постоянная времени коллекторной цепи транзистора (нс).

τ_β ≈ β·τ_α постоянная време­ни транзистора в схеме с ОЭ [нс];

τ_α = 1/(2·π·f_T) ≈ 1,2/(2·π·f_α) [нс], (3.16)

где f_T и f_α - граничные частоты транзистора (справочные величины) (Гц).

t_ФР = τ_β· ln [β·I_Б.ОТП /(β·I_Б.ОТП – I_КН )], [нс]. (3.17)

Накопление избыточного заряда. В конце этапа формирования фронта транзистор оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора.

Скорость накопления определяется средним временем жизни носителей τ_СР в базовом и коллекторном слоях. Процесс накопления заряда Q = I_Б.ОТП · τ_СР

(кл) заканчивается за время накопления t_Н = 3·τ_СР. [нс].

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения Е₂ до значения – Е₁, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может измениться скачком, следовательно, не изменятся мгновенно и напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах. В момент переключения входного сигнала на обоих переходах сохраняются прямые смещения, близкие к напряжению отпирания U_ОТП. Ток базы изменит направление и примет значение

I_Б.ОТП = (– E₁ – U_ОТП) / R_Б. (мкА).

Скачок базового тока от значения I_Б.ОТП до I_Б.ОБР (обратный базовый ток) вызывает рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени τ_СР.

Длительность стадии рассасывания определяется выражением:

t_{РАС.ЗАР} = τ_СР·ln( (I_Б.ОТП – I_Б.ОБР) / (I_Б.ГР – I_Б.ОБР)), [нс] . (3.18)

Формирование среза. По окончании этапа рассасывания начинается стадия

формирования среза (t_СР), которая заканчивается запиранием транзистора.

При малых запирающих токах длительность стадии среза находят по формуле:

t_СРЕЗА = τ_А· ln (1+ I_Б.ГР / I_Б.ОБР), [нс] . (3.19)

При большом значении запирающего тока (I_Б.ОБР ≈I_Б.Н) транзистор оказывается в режиме динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки: τ_ОТС ≈ (0,25·t_ПР) + (С_К·R_К), (3.20)

где t_ПР – время пролета носителей заряда через базу. t_ПР ≈ 0,0З нс_. (*справ.).

В ремя среза выражается соотношением

t_СР = 2,З·τ_ОТС. [нс].

Рис. 3.4. Схема форсирования ключа

Уменьшить время переходных процессов можно при введении в цепь управления форсирующего конденсатора С_УСК =С_ФОРС, который увеличивает токи базы I_Б.ОТП и I_Б.ОБР на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы неизменны.

Пример 1. Ключ на транзисторе ГТ341 (p-n-p) работает в диапазоне температур: -60^оС+70^оС. Граничное значение напряжения U_БЭ.ГР = 0.4 В; значение R_Б = 1 кОм.

Требуется определить величину Е_Б, обеспечивающую надежное запирание VT.

Из справочника находим, что при +60^оС I_Ко = 0,1 мА. Тогда при + 70^оС тепловой ток коллектора I_Ко.МАХ = 2∙0,1= 0.2мА, т. к. обратный ток Ge VT удваивается за каждые 10°С. Из условия (3.3) запирания Ge транзистора p-n-p-типа, находим:

[U_{ВХ.Зап.(Ge)} > I_КО∙R_Б +(0,5…1)B]. U^─_Б =U_ВХ.ЗАП. = 0,2∙10^-3∙10³+0,4= +0,6 В.

Ответ: запирание ключа при мах. температуре и заданной помехоустойчивости обеспечивается напряже­нием U^─_Б = U_ВХ.Зап. = +0,6 В положительной полярности.

Пример 2. Разработать схему индикации coдepжимoгo регистра RG при Е_П=15 В. Состоянию лог. (0 и 1) на выходе RG соответствует амплитуда 0 В и +5 В.

Р ис. 3.3. Схема индикации состояния RG.

1. В схеме установлен светодиод АЛ102 (красный); в качестве ключа - транзистор КТ301 с параметрами:

U_КЭ=20В; I_К.Мах.= 50 мА; β =25÷60.

Для светодиода АЛ102 из справочника находим: U_VD.ПР = 2,8 В; предельно допустимый прямой ток I_VD.Доп. = 20 мА; при токе I_VD.НОМ = 10 мА яркость свечения составляет 50 мКд, что достаточно для мнемонической световой индикации.

Примем: I_К.Нас. = I_{VD.ПР.Ном.} = 10 мА. = 10∙10^-3 A.

2. Резистор R_ОГР служит для ограничения тока, протекающего через светодиод:

R_ОГР ≤ (Е_К - U_VD.ПР)/I_К.Нас = (15 – 2,8)/(10∙10^-3) = 1,2 кОм.

С другой стороны: R_ОГР. > Е_К/I_VD.Доп. = 15/20∙10^-3 = 750 Ом.

Выберем среднее значение: R_ОГР = 1 кОм.

Ток базы насыщения транзистора составит: I_Б = I_КН/β_Мин. = (10∙10^-3)/25 = 0,4 mA.

Возьмем ток I_Б с запасом (S = 2). I_БН = S∙I_Б = 2∙0,4 = 0,8 mA.

Сопротивление R_Б выберем из условия: R_Б ≤ U_ВХ/I_Б.Н = 4 /0,8∙10^-3 = 5 кОм.

* Напряжение [U_БК = U_КЭ - U_БЭ] на коллекторном переходе транзисторного ключа не должно превышать значения “лог. 1”, т.к. U_{КЭ.Закр} ≈ + 5 В, и при этом непосредственно отпирающее напряжение U_БЭ.Отп. ключа редко превышает + 1 В.

Из условия, U_ВХ = 5 В (лог.1) на входе, на резисторе R_Б падает 4 В, т.е. U_БК ≈ 4 В.

Литература основная

1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах

и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 2001. – 620 с.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г. Задачник по общей электротехнике с основами

электроники. – М .: Высш. шк., 2001. – 377 с.

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – М.: Радио, 2000. – 384 с.

Литература дополнительная

5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. - 288 с.

6. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем.– М.: Высш. шк., 1987. – 334 с.

7. Гусев В.Г. Сборник задач по электронике. – М.: Высш. шк., 1988. – 240 с.

РГР № 3. ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Задание 3.2. Разработать схему защиты блока пи­тания от перегрузки путем отключения нагрузки с помощью реле. Сигнал перегрузки вырабатывает датчик, у которого норме соответству­ет U_ВХ = 0 В, а перегрузке U_ВХ = ? (см. табл. №3)

Задание № 3.1. Разработать схему управления термостатом, включённом в сеть 220 В. Для обеспечения гальванической развязки транзисторный ключ включает опто-тиристор, который коммутирует ток в цепи с термостатом. На вход ключа подается сигнал управления лог. (0 и 1); где: U_ВХ° = 0 В и U_ВХ ¹ =*(см. табл. №3).

Исходные данные для расчета и тип транзистора приведены в таблице № 3.

На рисунках 3А и 3В приведены примеры схем для коммутации нагрузок первым вариантом (при помощи реле) и вторым вариантом (при помощи тиристора).

Для задания 3.1 и 3.2 - определить дли­тельность задержки фронта и среза

при воздействии на ключ прямоугольных импульсом с амплитудой U_ВХ° и U_ВХ¹.

Проверить условие запирания ключа в заданном диапазоне температур.

Построить совмещенные временные диаграммы U_ВХ(t), i_Б(t), i_K(t), U_K(t) .

* ***

Т аблица 3. Электрические параметры биполярных транзисторов для схемы ключа

Справочные рабочие параметры транзисторов											Параметры для задания
	Т ИП	h21Э (β)	UКЭ (В)	IК.Мах (А)	IК.об μА	PМах (Вт)	fГР. мГц	СК,СЭ Пф	UКЭ Нас	UБЭ Нас	EП В	IН А	RН = Ом	UВХ B	S нас	ТМКC f МГЦ	ТоС Мах
1 N	КТ201	20…40	20	0,03	1	0,15	10	100	1	1V	8		400	4	1,9	3 мГц	50
2 P	КТ203	15…30	30	0,03	1	0,15	10	100	0,4		10	0,03		3	1,9	0,3 мкс	50
3 N	КТ206	40…80	15	0,05	1	0,15	5	80	1 B		12		300	2	1,7	2 мГц	60
4 P	КТ208	25…50	20	0,05	1	0,20	5	80	0,3		14	0,04		5	2	0,5 мкс	60
5 N	КТ503	45..90	40	0,15	1	0,35	5	65	0,6		16		400	6	1,5	1 мГц	65
6 P	КТ502	30…60	40	0,15	1	0,35	5	65	0,6		18	0,06		8	1,5	0,7 мкс	65
7 N	КТ504	35…70	300	0,50	10	0,50	20	60	1,0		20		500	5	1,2	10 мГц	70
8 P	КТ501	50…100	15	0,30	1	0,35	5	60	0,4		24	0,08		6	1,2	0,5 мкс	70
9 N	КТ312	25…50	20	0,06	1	0,20	80	50	0,5		8		200	4	1,8	20 мГц	55
10 P	КТ313	40…80	50	0,35	0,5	0,15	200	50	0,5		10	0,02		3	1,3	0,1 мкс	55
11 N	ГТ311	20…40	20	0,08	0,5	0,30	250	40	0,3		12		400	2	1,8	5 мГц	50
12 P	ГТ313	50…100	25	0,08	0,05	0,15	100	40	0,1		14	0,06		8	1,3	0,5 мкс	50
13 N	КТ315	30…60	25	0,10	1	0,15	150	45	0,4		16		500	10	1,7	15 мГц	65
14 P	КТ361	35…70	25	0,05	1	0,15	100	45	0,4		18	0,04		3	1,3	0,2 мкс	65
15 N	КТ339	15…30	25	0,15	1	0,25	100	55	0,6		20		600	4	2	25 мГц	60
16 P	КТ337	45…90	12	0,05	1,0	0,15	500	55	0,2		24	0,03		6	1,7	0,3 мкс	60
17 N	КТ342	15…30	30	0,05	1	0,25	100	45	0,1		16		440	5	1,9	45 мГц	65
18 P	КТ343	20…40	17	0,05	1	0,15	100	45	0,3		14	0,03		10	1,6	0,5 мкс	65
19 N	КТ358	25…50	15	0,06	10	0,20	80	40	0,8		12		250	2	1,5	50 мГц	60
20 P	КТ357	30…60	12	0,04	5	0.15	100	40	0,3		10	0,04		3	1,5	0,6 мкс	60
21 N	КТ3102	35…70	30	0,10	0,05	0,25	100	35	0,5		8		160	4	1,2	60 мГц	65
22 P	КТ3107	40…80	30	0,10	0,1	0,30	200	35	0,5		24	0,08		5	1,2	0,6 мкс	65
23 N	КТ373	45…90	10	0,05	0,5	0,15	600	30	0,4		20		600	6	1,7	70 мГц	70
24 P	КТ3126	50…100	30	0,03	0,5	0,15	500	30	0,4		18	0,02		8	1,2	0,7 мкс	70
25 N	КТ3117	40… 80	60	0,06	10	0,30	400	25	0,6		8		180	10	1,3	80 мГц	75
26 P	КТ3127	45…90	20	0,06	1,0	0,10	600	25	0,4		10	0,04		5	1,6	0,8 мкс	75
27 N	ГТ341	50…100	15	0,05	5,0	0,10	1000	20	0,3		12		450	3	1,6	90 мГц	50
28 P	ГТ346	35…70	15	0,05	5,0	0,10	700	20	0,3		14	0,03		2	1,6	0,9 мкс	50
29 N	КТ316	30…60	10	0,06	0,5	0,15	600	25	0,4		16		320	4	1,7	10 мГц	55
30 P	КТ326	25…50	30	0,06	0,5	0,15	500	25	0,4		18	0,04		6	1,3	0,1 мкс	55
31 N	КТ368	20…40	15	0,13	0,5	0,22	900	20	0,4		20		600	10	1,4	20 мГц	60
32 P	КТ363	15…30	18	0,13	0,5	0,15	1000	20	0,35		24	0,06		2	1,8	0,2 мкс	60
33 N	КТ3142	20…40	40	0,15	1,0	0,30	600	30	0,4		15		300	8	1,6	30 мГц	70
34 P	КТ3128	25…50	40	0,15	1,0	0,30	600	30	0,4		9	0,08		4	1,6	0,3 мкс	70

*В табл. значения R_Н или I_Н могут быть заданы ориентировочно и требуют проверки.