7 Типовые схемы транзисторных ключей

7.1 Ключ на биполярном транзисторе

Схема ключа на биполярном транзисторе представлена на рис. 7.1.

При подаче во входную цепь транзистора импульса прямого тока I_б1 начинается переходной процесс включения, состоящий из трех этапов. На начальной стадии включения, называемой задержкой t_зад, происходит перезаряд барьерной емкости входного эмиттерного перехода. Время задержки приближенно оценивается по формуле:

t_зад = ,

где С_эб – барьерная емкость эмиттерного перехода;

U_эо≈0,7 В – напряжение прямого смещения для кремниевого транзистора.

Затем начинается этап нарастания коллекторного тока. Длительность этого этапа t_r определяется условием насыщения транзистора, при котором выходной ток ключа становится равным максимально возможному, определяемому внешней нагрузкой R:

I_k(t_н) = I_кнас = .

Чтобы обеспечить переход транзистора в насыщенное состояние необходимо выполнение условия:

I_б1> = I_бнас.

Для количественной оценки глубины насыщения используют параметр, называемый степенью насыщения N. Он определяется как относительное превышение базовым током I_б1 тока насыщения I_бнас:

N = .

Время нарастания можно найти по формуле:

t_r = τ_β∙ .

На последнем этапе переходного процесса включения ток коллектора не изменяется и равен I_кнас, однако заряд в базовом слое продолжает накапливаться. Данный заряд называется избыточным, так как он превосходит граничную величину накопленного заряда при переходе транзистора из активной области в насыщение. Процесс накопления избыточного заряда длится в течение времени накопления t_н:

t_н = (2…3) τ_н,

где τ_н – постоянная накопления заряда при работе транзистора в режиме насыщения.

Переходной процесс включения транзистора начинается в момент изменения входного тока от положительного уровня I_б1 до отрицательного I_б2. При этом начинается уменьшение накопленного заряда в базе. Выключение протекает в два этапа. На первом, называемом этапом рассасывания избыточного заряда, происходит уменьшение заряда до граничного значения. В течение процесса рассасывания коллекторный ток транзистора остается неизменным и равным I_кнас, так как ключ продолжает находиться в насыщенном состоянии. Длительность этого этапа характеризуется временем рассасывания t_р, которая определяется по формуле:

t_р = τ_н∙ .

Эту формулу можно использовать для количественной оценки параметра τ_н на основе справочных данных.

На втором этапе переходного процесса выключения происходит спад коллекторного тока от I_кнас до нуля. Длительность этапа называется временем спада t_с:

t_с = τ_β∙ .

(Основные этапы переключения(рис.7.2))

Временные параметры, характеризующие скорость переключения, являются одними из главных и задаются в справочниках. Времена нарастания и спада коллекторного тока транзистора уменьшаются с ростом амплитуды соответственно отпирающего и запирающего входного тока. Время рассасывания увеличивается с ростом отпирающего тока базы I_б1 и уменьшается с увеличением запирающего I_б2. При увеличении тока нагрузки фронты переключения увеличиваются, а время рассасывания уменьшается.