9.4 Транзисторные ключи на биполярных транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств информационной электроники и многих устройств силовой электроники.

На рис. 9.11 а представлена схема простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, на рис 9.11 б – диаграмма входного напряжения, а на рис. 9.11 в – выходного напряжения.

В начале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившемся режиме. До момента времени t₁ эммитерный переход транзистора заперт отрицательным входным напряжением, транзистор находится в режиме отсечки.

Рис.9.11. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы

В этом режиме I_К=-I_б=I_K0 (I_K0 – обратный ток коллектора), I_Э0. Пренебрегая малым обратным током коллектора I_К0, получаем i_к = i_б  0 . При этом U_Rб  U_Rк  0; U_бэ  U₂; U_кэ  Е_К. (рис. 9.11 в).

В промежутке t₁  t₂ величину сопротивления R_б и входного напряжения U₁ выбирают так, чтобы транзистор находился в области насыщения, либо близкой к ней.

В этом режиме транзистор открыт и выполняются соотношения:

Таким образом, низкому входному (управляющему) потенциалу соответствует высокий потенциал на выходе ключа и наоборот. Такой режим работы называется инверсным. Часто ключевые схемы работают друг на друга и тогда входное (управляющее) напряжение будет иметь форму выходного сигнала, а это значит, что с учетом возможных входных помех, параметры схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы входное напряжение не превышало некоторую пороговую величину. Например, для кремниевых транзисторов надежное запирание обеспечивается уровнем в 0,4 В. Надежное отпирание транзистора обеспечивается при условии выполнения соотношения . Кроме этого необходимо учитывать, что R_К должно быть выбрано так, чтобы при открытом транзисторе коллекторный ток не превысил максимально допустимого для выбранного типа транзистора. То есть .

Надежное открывание транзистора сопровождается его переходом в область насыщения, при этом в цепи коллектора протекает ток I_Кнас., определяемый соотношением . Напряжение U_КЭ в режиме насыщения различно у различных типов транзисторов и обычно лежит в пределах 0,08 ÷ 1 В. Минимальный ток базы необходимый для обеспечения режима насыщения определяется выражением:

.

Глубину насыщения оценивают через коэффициент насыщения q_нас показывающий во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. То есть:

.

При выбранном q_нас можно производить расчет элементов ключа в статическом режиме. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Режим насыщения должен обеспечиваться для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при заданном диапазоне температур. Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает величину U_КЭ, уменьшая мощность выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но при этом увеличивается мощность выделяемая во входной его цепи. Кроме этого увеличение тока базы уменьшает время перехода из закрытого состояния в открытое (в режим насыщения), но затягивает время выхода транзистора из режима насыщения. Исходя из этих соображений, в расчетах принимают q_нас=1,5 ÷ 2.

Динамический режим работы ключа изображенного на рис 9.11 рассмотрим на временных диаграммах его работы. На рис 9.12 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс включения транзисторного ключа.

Рис.9.11. Временные диаграммы включения транзисторного ключа

При подаче входного переключающего напряжения начинается перезарядка барьерных емкостей эммитерного С_Э и коллекторного С_К переходов, поэтому, когда во время t₁ входное напряжение изменяется скачком, транзистор остается запертым, поскольку напряжение на его входной емкости не может изменятся скачком. Через сопротивление базы начнет протекать ток, изменяя U_бэ хотя сам транзистор продолжает оставаться запертым. Время задержки приблизительно можно определить по формуле:

t₃ = _вх [1+( U_бо / U₁ )],

где _вх = R_б(С_Э+С_К), U_бо – начальное смещение U_бэ – вызванное выпирающим входным напряжением - U₂.

Значение t₃ обычно не велико. Поэтому этим временем в расчетах часто пренебрегают.

Когда напряжение U_бэ достигает некоторого порогового значения U_{бэ порог} транзистор начнет отпираться формируя фронт выходного сигнала t_ф. При этом коллекторный ток экспоненциально нарастает до перехода транзистора в режим насыщения. В это время экспоненциально падает U_эк=U_вых до достижения величины U_{кэ нас.}.

Длительность отрицательного фронта может быть определена в соответствии с формулой:

,

где _а – постоянная времени цепи базы,

- ток базы при переходе в режим насыщения.

Оценить порядок величины отрицательного фронта можно рассмотрев типовой пример. Так, если _а=2 мкс; _ст =50; =1 mА;=5 mА, то=0,2 мкс.

Общее время включения транзистора определяется суммой t₃ + t_ф.

Начиная с момента t₃ токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются, однако заряд в базе продолжает нарастать с постоянной времени _H и заканчивается через время t_H = (2÷3)_H.

Процесс выключения транзисторного ключа иллюстрируется рис. 9.12. и начинается с момента подачи входного отрицательного управляющего потенциала (-U₂) (время t₁) процесс запирания транзистора происходит в два этапа: рассасывание избыточного заряда (до времени t₂) и формирование положительного фронта (до времени t₃).

Заряд, накопившийся в базе открытого транзистора мгновенно рассосаться не может и в течение некоторого промежутка времени ток коллектора не изменяется. При достаточно большом запирающем напряжении время рассасывания можно определить по формуле

t_p = _Hq_насI_к.нас./(_стI_б),

где _H – постоянная времени насыщения; I_б – скачёк базового тока в момент начала выключения ключа. В интервале рассасывания ток базы (без учета U_бэ) определяется соотношением:

.

Рис.9.12. Временные диаграммы выключения транзисторного ключа

На интервале формирования положительного фронта продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток I_к значительно уменьшается, а напряжение U_кэ возрастает. По окончании время выключения (после времени t₃) ток коллектора становится равным току базы, эммитерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится практически равным нулю.

В рассматриваемой схеме время рассасывания t_расс существенно больше всех остальных времен, поэтому временем спада и установления можно пренебречь. При этом следует иметь ввиду, что чем больше по модулю переключающий ток базы, тем меньше время рассасывания, и чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания.

Количественный анализ переходных процессов удобнее всего осуществлять с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (например Micro – Cap V и др.)

Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора с целью уменьшения времени рассасывания путем специальных схемотехнических решений. На рис. 9.13 приведен вариант реализации ненасыщенного транзисторного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью по напряжению на высокочастотном диоде.

Рис.9.13. Вариант реализации ненасыщенного ключа

Напряжение смещения U_см в такой схеме выбирается в диапазоне 0,4÷ 0,6В. Работает схема следующим образом. Пока транзистор достаточно далек от области насыщения, диод VD закрыт напряжением Е_К. На границе активного режима и режима насыщения напряжения U_КБ оказывается близким к нулю и диод открывается за счет U_СМ. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается и транзистор не входит в режим насыщения.

На рис. 9.14 показан вариант схемы ненасыщенного ключа в котором нелинейная отрицательная обратная связь реализуется через диод Шотки у которого напряжение отпирания около 0,25 В. При использовании диода Шотки дополнительного источника смещения не требуется.

Рис.9.14. Ненасыщенный ключ на диоде Шотки