7.10. Работа транзистора в импульсных схемах

7.10.1. Насыщенный и ненасыщенный транзисторные ключи

Ключевой режим БТ является разновидностью режима работы на переменном сигнале с большой величиной импульсного сигнала, который характерен для цифровых схем, генераторов, преобразователей, стабилизаторов, импульсных источников питания и других устройств. При работе в качестве ключа основное назначение транзистора состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющего входного тока базы. Наибольшее распространение в импульсных устройствах получила схема включения транзистора с общим эмиттером (рисунок 7.97).

Основные требования к импульсному ключу заключаются в обеспечении малых потерь мощности во включенном состоянии (малое сопротивление замкнутого ключа), малого тока утечки в закрытом состоянии и высокого быстродействия. Последнее требование обеспечивает также малый уровень динамических потерь во время переходных процессов переключения.

Различают насыщенный и ненасыщенный транзисторные ключи.

В насыщенном ключе при переключении транзистор последовательно переходит из режима отсечки (точка А на рисунок 7.97, б) в усилительный режим (точка В) и режим насыщения (точка С). При этом открывающий ключ прямой ток базы больше тока базы насыщения (I_B.пр=I_В4), а напряжение открытого ключа соответствует U_CE.Sat (7.58, 7.61) и, следовательно, малым потерям мощности в открытом состоянии. При выключении транзистора обратным током базы требуется время на рассасывание избыточного заряда, накопленного в базе и теле коллектора, что приводит к дополнительной инерционности по сравнению с ненасыщенным ключом. В ненасыщенном ключе прямой ток базы меньше тока базы насыщения (I_B.пр=I_В2). При включении такого ключа рабочая точка перемещается из режима отсечки (точка А) в усилительный режим (точка В). При этом напряжение открытого ключа (точка В) может иметь значительную величину, а, следовательно, и большую величину потерь мощности. Процесс выключения ненасыщенного ключа значительно быстрее, так как нет инерционности, связанной с рассасыванием избыточного заряда носителей. В этой связи насыщенные ключи применяются в цепях, где превалируют энергетические показатели, ненасыщенные – в схемах повышенного быстродействия.

а) б)

Рисунок 7.97 - Транзисторный ключ (а), выходные ВАХ транзистора (б)

7.10.2. Переходные процессы и импульсные характеристики транзистора в схеме ключа

В процессе включения транзистора прямым базовым током I_В1 (рисунок 7.98) в транзисторе протекают следующие процессы.

1. Перезаряд зарядной емкости эмиттера от нулевого смещения либо обратного до прямого, сопровождающийся снижением потенциального барьера и инжекцией неосновных носителей заряда в базу. Этот этап характеризуется задержкой тока коллектора относительно тока базы и носит название времени задержки .

,

где – среднее значение зарядной емкости эмиттера; , U_OE – контактный потенциал эмиттерного p-n перехода.

2. Пролет инжектированных носителей заряда через базу, коллектирование, дрейф носителей в ОПЗ коллекторного p-n перехода и перезаряд коллекторной емкости. Этот этап характеризует нарастание тока коллектора во времени или длительность переднего фронта . Постоянная времени нарастания тока может быть представлена в виде постоянной времени заряда диффузионной емкости базы (время пролета) и зарядной емкости коллектора с учетом эффекта Миллера:

.

В мощных и высоковольтных транзисторах (толстый высокоомный коллектор) проявляется дополнительная инерционность при их включении. Она связана с эффектом квазинасыщения при малых напряжениях коллектора и модуляцией (увеличением) эффективной толщины базы (7.37). В этом случае завершение этапа нарастания тока коллектора характеризуется второй постоянной времени – временем пролета коллекторной области.

. (7.165)

3. Накопление избыточного заряда в областях квазинейтральной базы и коллектора для насыщенного ключа, при I_B1 >I_B.Sat . Постоянная времени этого процесса определяется конструкцией транзистора.

Для структуры транзистора с высоколегированным коллектором n⁺-p-n⁺ (N_C >> N_B) заряд накапливается в активной и пассивной областях базы. Поэтому постоянная времени накопления избыточного заряда определяется эффективным временем жизни неравновесных носителей в базе , величина которого зависит от уровня инжекции.

Для структуры транзистора с высокоомным коллектором n⁺-p-n-n⁺ (N_C < N_B) избыточный заряд в основном накапливается в области квазинейтрального коллектора (инжекция из базы в коллектор), и постоянная времени процесса накопления заряда определяется временем жизни неравновесных носителей заряда в коллекторе . Увеличение скорости рекомбинации носителей заряда на границе n-n⁺ коллектора (квазиомический контакт) способствует уменьшению накопленного заряда в структуре транзистора с тонким высокоомным слоем (W_C < L_C) (6.5, а), а также постоянной времени накопления, определяемой диффузионным пролетом .

В процессе выключения транзистора обратным током базы – I_В2 (рисунок 7.98) в транзисторе протекают следующие процессы.

1. Рассасывание избыточного накопленного заряда (насыщенный ключ) током базы и процессом рекомбинации. Этот этап характеризуется постоянством тока коллектора (рисунок 7.98, а) и постоянной времени, соответствующей постоянной времени накопления заряда при включении прямым током базы, которая зависит от структуры транзистора.

2. Перезаряд коллекторной емкости (возрастание напряжения коллектора), пролет носителей заряда через базу, соответствующие уменьшению тока коллектора и длительности заднего фронта импульса . Как и для процесса включения, постоянная времени спада коллекторного тока определяется постоянной времени перезаряда зарядной коллекторной и диффузионной емкости базы с учетом эффекта Миллера. На начальном этапе спада тока коллектора постоянная времени определяется временем пролета толщины высокоомного коллектора для высоковольтных транзисторов.

В ключевых схемах инерционность транзисторов описывается импульсными параметрами: время включения и время выключения .

.

Время включения характеризует интервал времени от подачи прямого тока базы до достижения током коллектора 0.9I_C (рисунок 7.98). Экспериментально определяется от начала подачи прямого тока базы до достижения током коллектора величины 0.1 установившегося значения I_C. Параметр соответствует интервалу времени нарастания тока коллектора от 0.1 до 0.9 установившегося значения I_C (рисунок 7.98).

Время выключения определяется суммой времени рассасывания (для насыщенных ключей) и времени спада тока коллектора от 0.9 до 0.1 установившегося значения I_C

,

где отсчитывается от начала подачи обратного тока базы I_B2 до уровня 0.9 установившегося значения I_C (рисунок 7.98).

Для ненасыщенного ключа .

I_B

I_B

I_B1 > I_B.Sat

I_B1 < I_B.Sat

t

t

-I_B2

I_C

I_C

Q_изб

0.9I_C.Sat

0.1I_C.Sat

t

t

t_З⁺

t_Ф⁺

t_З^–

t_Ф^–

t_вкл

t_выкл

U_CE

U_CE

E

E

U_CE.Sat

U_C

t

t

P

P

t

t

а) б)

Рисунок 7.98 - Эпюры токов, напряжений и мощности насыщенного (а)

и ненасыщенного ключа (б)