10.Транзисторные ключи

1. Электронные ключи на биполярных транзисторах

1. Области работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений на переходах U_эб и U_кб различают четыре области:

1. Область отсечки токов

+ – – +

n⁺ p n

p_э n_б p_к

x_э 0 w x_б x_к

Оба перехода смещены в обратном направлении: U_эб  0 и U_кб  0. Через оба перехода происходит экстракция неосновных носителей заряда. Поэтому на границах перехода в области базы их концентрация ниже равновесной:

2. Активная область

– + – +

n⁺ p n

p_э n_б p_к

x_э 0 w x_б x_к

Эмиттерный переход смещен в прямом (U_эб  0), а коллекторный переход – в обратном направлении (U_кб  0). Эмиттерный переход работает в режиме инжекции электронов из эмиттера в базу, а коллекторный – в режиме экстракции электронов из базы в коллектор. Концентрация неосновных носителей на границах эмиттерного перехода выше равновесной, а на границах коллекторного перехода ниже равновесной:

По базе концентрация электронов убывает приблизительно по линейному закону:

.

3. Область насыщения

Оба перехода транзистора смещены прямо: U_эб  0 и U_кб  0. Через оба перехода происходит инжекция неосновных носителей в базу. По всей толщине базы их концентрация выше равновесной:

– + + –

n⁺ p n

p_э n_б p_к

x_э 0 w x_б x_к

4. Инверсная активная область

Эмиттерный переход смещен в обратном направлении (U_эб  0), а коллекторный – в прямом (U_кб  0). Происходит инжекция электронов из коллектора в базу и экстракция их из базы в эмиттер. Это состояние в некоторых схемах соответствует переходному режиму транзистора.

2. Статические состояния транзистора в схеме с оэ

U_П

R_k

I_k

R_б I_б

U_кэ

U_вх U_бэ

За положительные принимаем направления токов базы, коллектора и эмиттера в открытом транзисторе, т.е. в нормальном активном режиме и в области насыщения.

Точка 1 на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики при I_б = –I_кбо соответствует состоянию глубокой отсечки, т.е. закрытому транзистору.

I_k

2

I_к.нас

I_б =0

1 I_б = –I_кбо

0 U_кэ.нас U_кэ.з U_П U_кэ

Для этого на входе должно быть запирающее напряжение U_вх  0. Если U_бэ_т и U_кэ_т , то коллекторный ток закрытого транзистора I_к.закр  I_кбо . Ток базы I_б.закр  – I_кбо . Ток эмиттера практически отсутствует. Транзистор в области отсечки можно представить эквивалентной схемой в виде генератора тока I_кбо .

+U_П

R_к

I_кбо

Б U_{кэ.закр}

Э

Выходное напряжение

U_{кэ.закр} =U_П – I_кбо R_к  U_П .

Между состоянием глубокой отсечки и открытым состоянием находится промежуточная область неглубокой отсечки, когда напряжение U_бэ близко к нулю.

I_к

I_к.нас

0 I_б.гр I_б

U_кэ

U_П

0 U_кэ.нас I_б

Точка 2 на пересечении линии нагрузки и линии критического режима соответствует открытому состоянию транзистора в области насыщения: ток коллектора максимален I_к = I_к.нас , а напряжение минимально U_кэ = U_кэ.нас и составляет десятые доли вольта.

При увеличении тока базы рабочая точка перемещается по линии нагрузки от 1 к 2, при этом ток I_к растет, а напряжение U_кэ уменьшается. При I_б = I_б.гр достигается граница активной области и области насыщения. Ток I_к.нас ограничен внешней цепью:

На грани насыщения потенциал базы равен потенциалу коллектора, т.е. U_кб =0,

а при насыщении потенциал коллектора U_кэ.нас опускается ниже потенциала базы U_бэ.нас.. Значение граничного тока базы, при котором наступает насыщение, равно

Степень насыщения характеризует запас тока базы по сравнению с граничным:

Эквивалентная схема насыщенного транзистора

Точная схема

Приближенная схема

К К

U_бэ.нас + U_кэ.нас

+ – – Б

Б

Э Э

Основные параметры ключа

1. Входной ток закрытого транзистора

I_б.закр = –I_кбо .

2. Входное напряжение для надежного запирания транзистора

3. Выходное напряжение на коллекторе закрытого транзистора

U_{кэ.закр} = U_П – I_кбо R_к  U_П .

4. Входной ток, необходимый для насыщения транзистора,

I_б.нас  I_б.гр .

5. Максимальный ток коллектора насыщенного транзистора

I_к.нас  U_П /R_к .

6. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора

U_кэ.нас  0,1 0,5 В.

7. Выходное сопротивление ключа в открытом состоянии мало (десятки Ом), а в закрытом – велико (R_{вых.закр}  R_к ).