3.1.8 Работа ключа на емкостную нагрузку
Емкость нагрузки представляет собой суммарную паразитную емкость, образованную емкостью соединительных проводов, посредством которых нагрузка подключается к выходу ключа, и емкостью самой нагрузки. Типичные значения емкости, например, в схемах с логическими элементами составляют единицы – десятки пикофарад.
Исследуем работу ключа на БТ (рис. 3.9) на емкостную нагрузку, считая транзистор идеально быстродействующим.
|
Рисунок 3.9 – Схема ключа с емкостной нагрузкой |
В исходном состоянии
ключевой элемент
разомкнут, и транзистор
находится в отсечке. Емкость
заряжена до напряжения источника питания
.
В момент (рис. 3.10, а) ключевой элемент замыкается, переход база-эмиттер транзистора мгновенно открывается, и транзистор переходит в активный режим. Емкость начинает разряжаться коллекторным током транзистора. Выходное напряжение ключа уменьшается.
|
|
а) |
б) |
Рисунок 3.10 – Временные диаграммы процесса замыкания и размыкания ключа |
|
Эквивалентная
схема цепи разряда показана на рис.
3.11, а. Здесь БТ представлен идеальным
источником тока
с бесконечно большим внутренним
сопротивлением, так как переход база
коллектор закрыт и БТ со стороны
коллектора имеет большое сопротивление.
Используя метод эквивалентных источников,
эквивалентная схема может быть приведена
к виду на рис. 3.11, б, где
.
Это цепь первого порядка, поэтому
изменение напряжения на выходе ключа
происходит по закону спадающей экспоненты
.
(3.1.11)
Здесь
-
постоянная времени, характеризующая
длительность переходного процесса. За
время
процесс завершается на 95%. Это время
принимают за полную длительность
переходного процесса ключа.
Поскольку ток коллектора в активном режиме выбирается больше тока коллектора насыщения, то асимптота экспоненты имеет отрицательный знак, что учтено на рис. 3.11, б.
|
|
|
а) |
б) |
в)
|
Рисунок 3.11 – Схемы замещения ключа |
||
В
момент
напряжение на конденсаторе
достигает уровня
В, при котором открывается переход
база-коллектор БТ и он входит в насыщение.
Напряжение на выходе ключа фиксируется
на данном уровне. Процесс включения
заканчивается. Как видно, включение
завершается раньше, чем происходит
полный цикл переходного процесса,
определяемый формулой (3.1.11), поэтому
и зависит от тока коллектора в активном
режиме. Чем больше ток коллектора, тем
меньше время включения ключа и тем
меньше влияние емкости нагрузки на
быстродействие.
В момент ключевой элемент размыкается, транзистор переходит в режим отсечки и отключается от конденсатора . Конденсатор начинает заряжаться от уровня до уровня напряжения источника в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 3.11, в и законом
.
(3.1.12)
В
момент
процессы заряда емкости и выключения
ключа завершаются. Длительность
выключения составляет
.
Как видно, быстродействие ключа на БТ при работе на емкостную нагрузку определяется этапом заряда емкости нагрузки (этапом выключения ключа), так как длительность переходного процесса в этом случае оказывается наибольшей.
Для уменьшения времени выключения необходимо уменьшать сопротивление резистора , однако при этом возрастает ток, потребляемый ключом в открытом состоянии, что нежелательно.
Вместо
резистора устанавливают дополнительный
БТ, который работает в противофазе с
основным (рис. 3.12). В этом случае,
когда идет процесс выключения ключа,
основной БТ
находится в отсечке, а дополнительный
пребывает в активном режиме и имеет
малое сопротивление со стороны эмиттера.
Это обеспечивает быстрый заряд емкости
нагрузки.
Для противофазного управления транзисторами используют дополнительный управляющий каскад на БТ. Схема ключа из трех транзисторов получила название сложного инвертора.
|
Рисунок 3.12 – Улучшенный вариант электронного ключа |
