книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

Существует также переключающая схема, эквива­ лентная электромеханическому реле в смысле гальвани­ ческой разобщенности входной и выходной цепи. Эта схема называется полупроводниковым реле и включает в себя следующие элементы: во входной цепи стабилит­ рон, обеспечивающий необходимый порог срабатывания схемы; блокинг-генератор, преобразующий постоянный ток входного сигнала в переменный; выпрямительную схему с емкостным фильтром в выходной цепи транс­ форматора блокинг-генератора; коммутирующий тран­ зистор, возбуждаемый выпрямленным и сглаженным сигналом блокинг-генератора.

Термин «полупроводниковое реле» в отдельных лите­ ратурных источниках, например, в брошюре Р. А. Лип­ мана [6], применяется также к пороговым переключаю­ щим схемам с гистерезисным видом передаточной харак­ теристики.

§ 2. Работа транзистора в режиме переключения

Для того, чтобы транзистор работал в режиме пере­ ключения, управляющий сигнал должен иметь импульс­ ную форму с малой длительностью фронтов нарастания

испада. Амплитуда входного сигнала должна быть до­ статочно велика, чтобы обеспечить переход транзистора

врежим насыщения. Во время паузы входного сигнала следует принять меры для эффективного запирания эмиттерного перехода транзистора, чтобы свести к ми­ нимуму коллекторный ток в режиме отсечки. Выполне­ ние этих условий обеспечивает минимальную мощность рассеивания на транзисторе, что повышает надежность

идолговечность переключающих схем.

Простейшая схема транзисторного ключа и диаграм­ мы электрических процессов показаны на рис. 42. Ха­ рактер электрических процессов зависит от выбора пара­ метров как самой схемы, так и управляющего сигнала. Выбор этих параметров сказывается на всех трех основ­ ных состояниях схемы: режиме насыщения, отсечки и пе­ реходном режиме, т. е. процессе переключения.

Особенностью режима насыщения является крайне низкое (единицы ом) выходное сопротивление транзи­ стора. Во многих случаях можно считать, что выходное

111

J_______ Ц&ОТП

Рис. 42. Задержка включения и выключения импульсного усили­ теля по схеме с общим эмиттером:

а — схема усилителя; 6 — временная диаграмма входного напряжения и выходного тока

сопротивление транзистора в режиме насыщения равно нулю. Коллекторный ток транзистора в режиме насы­ щения /к.н зависит только от напряжения коллекторного питания Ек и сопротивления резистора коллекторной нагрузки R K:

А к

Коллекторному току насыщения 1К, н соответствует ток базы /б. н, при котором транзистор переходит из ак­ тивного режима в режим насыщения (находится на границе режима насыщения):

112

При увеличении базового тока выше указанного зна­ чения насыщенное состояние сохраняется. Поэтому ус­ ловие насыщенного состояния транзистора можно оха­ рактеризовать следующим неравенством:

l.Rk?

Для создания устойчивого режима насыщения необ­ ходимо, чтобы базовый ток / б был больше базового то­ ка насыщения h. н по крайней мере в 1,5—2 раза. Вели­ чина, показывающая кратность базового тока /6 по от­ ношению к базовому току насыщения h. н, называется коэффициентом насыщения:

коллекторный переход смещен в отпирающем направле­ нии. При этом происходит инжекция неосновных носи­ телей в базовую область как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора. Поэтому в режиме насыщения в базовой области находится значительное количество неосновных носителей, увеличивающееся с увеличением коэффициента насыщения.

При спаде импульса входного сигнала ранее насы­ щенный транзистор переходит в режим отсечки не сра­ зу же после снятия входного сигнала, а по прошествии некоторого времени, называемого временем выключения

Ашк.т- Время выключения ^выкл подразделяется на два эта­

па: время рассасывания избыточных неосновных носи­ телей tp и время спада tc (рис. 42, б). В течение време­ ни рассасывания концентрация неосновных носителей, находившихся в базе к моменту снятия входного сигна­ ла, снижается до такой величины, при которой транзи­ стор выходит из режима насыщения.

После того как транзистор окажется в активном ре­ жиме, начинается спад импульса коллекторного тока. Известно, что процесс рассеяния энергии в системе, со­ держащей один накопитель энергии, подчиняется экспо­ ненциальному закону. Рассасывание неосновных носи­ телей в базе транзистора происходит также по экспонен-

113

циальному закону и зависит от отпирающего тока в г

сыщения / к. „ и коэффициента усиления транзистора |3. Поэтому время рассасывания неосновных носителей оце­ нивается следующей логарифмической зависимостью:

м, сои — граничная частота при прямом и инверсном ре­ жиме.

В режиме насыщения, как уже было сказано, инжек­ ция неосновных носителей в базу выполняется и эмитте­ ром, и коллектором. В этом случае можно считать, что не только коллектор собирает неосновные носители, ин­ жектируемые эмиттером, но и эмиттер собирает носители, инжектируемые коллектором. Такой режим работы тран­ зистора, когда эмиттер выполняет функцию коллектора, а коллектор функцию эмиттера, называется инверсным.

Коэффициент усиления транзистора при инверсном включении значительно меньше коэффициента усиления при обычном, прямом включении. Если коэффициент J3 при прямом включении равен 30, то инверсный коэффи­ циент усиления {Зи равен 2—5.

Аналогично, если в схеме с общей базой, коэффи­ циент усиления а при прямом включении равен 0,98, то инверсный коэффициент усиления аи равен 0,8. Гранич­ ная частота (частота, при которой коэффициент усиле­ ния падает до 0,7 первоначального значения) при инвер­ сном включении транзистора также меньше, приблизи­ тельно на порядок.

Поскольку в течение времени рассасывания неоснов­ ных носителей транзистор продолжает находиться в на­ сыщенном состоянии, он работает в этот период одновре­ менно и в прямом, и в инверсном режимах. Этим объяс­ няется наличие в формуле для постоянной времени т2 величин угловой частоты и коэффициента усиления как для прямого, так и для инверсного режима. Эмигрирую­ щая способность коллектора в инверсном режиме значи­

114

тельно выше, чем эмиттирующая способность эмиттера в прямом режиме, поскольку площадь коллекторного электрода больше, чем площадь эмиттерного электрода. Поэтому можно предполагать, что в период рассасыва­ ния неосновных носителей процесс рассасывания лими­ тируется, в основном, инверсным режимом работы тран­ зистора. Этим объясняется наличие в приближенной формуле для постоянной времени т2 только инверсных параметров транзистора.

После окончания времени рассасывания избыточных неосновных носителей транзистор оказывается в актив­ ном режиме. В этом режиме коллекторный переход сме­ щен в запирающем направлении и поэтому инверснымеханизм рассасывания неосновных носителей отсут­

ствует.

В активном режиме рассасывание остаточных неос­ новных носителей, сохранившихся после процесса расса­ сывания избыточных неосновных носителей, происходит также по экспоненциальному закону.

Формула для времени спада импульса коллекторного

Л).зап время спада уменьшается.

Процесс увеличения тока при включении транзистора также имеет экспоненциальный характер, причем уве­ личение тока происходит с той же постоянной времени, что и спад тока. Время включения транзистора зависит

Р / 5. вкл 0 ,9 /к .н

Для уменьшения времени включения и времени вы­ ключения транзистора токоограничивающий резистор в базовой цепи шунтируют емкостью. Практически для

115

частот 100—200 кГц применяют емкость 500—200 пФ. Для частот порядка 1—20 кГц допустимо применять ем­ кость до 30 000 пФ, хотя при достаточно крутых фронтах включения и спада вполне достаточна емкость 1000— 500 пФ.

Особенностью режима отсечки является обратное смещение и коллекторного, и эмиттерного переходов. За­ пирающее смещение базы транзистора достигается при­ менением цепи смещения, состоящей из источника сме­ щения /;см и токоограничивающего резистора R CM.

Для того, чтобы транзистор находился в режиме от­ сечки, необходимо, чтобы величина сопротивления рези­ стора цепи смещения удовлетворяла следующему усло­ вию:

транзистора без управляющего сигнала за счет пробоя базового слоя при смыкании областей коллекторного и эмиттерного р—п переходов. Это явление наиболее ве­ роятно, если применяются высокочастотные транзисторы, имеющие тонкую базу. В отдельных случаях этот пробой может оказаться необратимым, то есть сопровождается

зы). Поэтому запирающее напряжение эмиттерного пе­ рехода целесообразно фиксировать путем шунтирования эмиттерного перехода обратно включенным диодом.

У транзистора, работающего в режиме переключения, отношение максимальной мощности, отдаваемой в на­ грузку, к максимальной мощности потерь (коэффициент использования) достаточно велико (/Си = 90—100). КПД усилителя, работающего в режиме переключения, также велик и может достигать 0,99.

Транзистор, работающий в режиме переключения, может быть использован для регулирования мощности, отдаваемой в нагрузку. Для этого необходимо регулиро­ вать коэффициент заполнения импульсного сигнала.

Схемы, осуществляющие изменение коэффициента за­ полнения импульсного сигнала пропорционально входно­ му напряжению, называются широтно-импульсными мо­

116

дуляторами, а усилители мощности, содержащие широт­ но-импульсный модулятор и выходной транзистор, рабо­ тающий в режиме переключения, называются усилителя­ ми класса Д.

§ 3. Транзисторные ключи

Транзисторными ключами называются усилители, имеющие ступенчатую форму передаточной характери­ стики, то есть очень высокую крутизну переходного уча­ стка передаточной характеристики. Чаще всего в схемах автоматики применяются транзисторные ключи с резис­ тивными входными и выходными цепями, так как они способны сохранять включенное или выключенное состо­ яние в течение сколь угодно большой длительности вер­ шины или паузы входного сигнала.

Наиболее распространенными ключевыми схемами являются однотранзисторные схемы с нормально закры­ тым и нормально открытым транзисторами (рис. 43, а, б). Схема с нормально закрытым транзистором известна также под названием ключа с потенциальным входом. Схему с нормально открытым транзистором называют ключом с токовым входом или ключом с входным диод­ ным переключателем тока.

При расчете маломощного транзисторного ключа с потенциальным входом вначале выбирается тип тран­ зистора по максимальной величине тока нагрузки и мак­ симальной величине выходного напряжения. Далее вы­ бирается величина напряжения коллекторного питания Ек, которая должна быть больше максимальной величи­ ны выходного напряжения, но меньше по крайней мере в 1,2 раза предельной величины коллекторного напряже­ ния триода.

Минимальная величина сопротивления резистора коллекторной нагрузки должна быть такой, чтобы кол­

Максимальная величина сопротивления коллектор­ ного резистора должна быть такой, чтобы падение

117

Рис. 43. Схемы импульсных усилителей:

тивлением-транзистором по схеме с общим коллектором; д — трехтранзи­ сторный ключ с повышенным входным сопротивлением; е — двухтранзи­ сторный ключ со вспомогательным эмиттерным повторителем в коллектор­ ной цепи

напряжения, вызываемое максимальным обратным кол­ лекторным током, не превышало, по крайней мере, одной десятой напряжения коллекторного питания Е к:

■*к. о. макс

При выборе величины сопротивления коллекторного резистора можно руководствоваться оптимальным значе­

118

нием, вычисленным по коллекторному току / к. экстр, обеспечивающему экстремальное значение коэффици­ ента усиления р для маломощных транзисторов:

Практически при напряжении питания £ К= 12В со­ противление коллекторного резистора маломощного транзистора выбирается в пределах 1,5—3 кОм.

Величина сопротивления резистора смещения выбира­ ется в соответствии со следующим условием:

где 2 — коэффициент запаса, учитывающий необходи­ мый запас тока смещения в целях улучшения динамики выключения транзистора.

Величина сопротивления резистора связи RCB выби­ рается в соответствии с условием насыщения транзи­ стора:

(127)

R Крмин

Коэффициент насыщения S следует задавать равным

1,5—2.

Резисторы схемы с нормально открытым транзисто­ ром рассчитывают аналогично. Сопротивление резисто­ ра R б базовой цепи рассчитывают по формуле (127). В этой схеме в целях надежности отсечки базового тока диод Д\ должен быть германиевым, желательно плоско­ стного типа, а диод Д 2 — кремниевым, точечного или плоскостного типа.

Основным преимуществом ключа с входным диодным переключателем тока является его высокое входное соп­ ротивление для сигнала отпирающей полярности, вслед­ ствие чего он хорошо согласуется с переключающими схемами, имеющими высокое сопротивление коллектор­ ного резистора.

119

Кроме однотранзисторных ключей известны различ­ ные многотранзисторные схемы, имеющие ступенчатую форму передаточной характеристики. В этих схемах вспомогательные транзисторы, в зависимости от схемы их включения, обеспечивают улучшение открытого и за­ крытого состояний основного транзистора, а также уменьшение выходного сопротивления схемы в закрытом состоянии основного транзистора. Для уменьшения вы­ ходного сопротивления ключа при закрытом состоянии основного транзистора в коллекторную цепь основного транзистора вместо резистора RK вводится управляемое сопротивление — вспомогательный ключ по схеме с общим коллектором на транзисторе однотипной прово­ димости (рис. 43, г) либо по схеме с общим эмиттером на транзисторе противоположного типа проводимости

(рис. 43, в).

В схеме со вспомогательным транзистором обратной проводимости входная цепь основного транзистора долж­ на быть выполнена на диодном переключателе тока. В этом случае даже при высокоомном коллекторном ре­ зисторе предыдущего каскада обеспечивается надежное отпирание основного транзистора Т\ и надежное запира­ ние вспомогательного коллекторного транзистора Т2. При резистивной цепи связи основного транзистора Т\ в результате падения напряжения на коллекторном ре­ зисторе предыдущего каскада вспомогательный транзи­ стор Т2 запирается ненадежно. Вследствие этого ухуд­ шаются условия работы транзисторов и может произойти их пробой.

Схемы на рис. 43, г и 43, д равноценны по выходному сопротивлению, однако входное сопротивление схемы рис. 43, д может быть существенно выше, чем входное сопротивление схемы рис. 43, г, за счет усилительных свойств вспомогательного управляющего транзистора Г3, являющегося эмиттерным повторителем.

Транзисторный ключ со вспомогательным коллектор­ ным транзистором, включенным по схеме с общим кол­ лектором, может быть выполнен и в двухтранзисторном варианте (рис. 43, е). Эта схема, по существу, представ­ ляет обычный усилительный каскад с выходным эмиттер­ ным повторителем, улучшенный введением диода Ди соединяющего цепь нагрузки с коллекторной цепью транзистора Т\. Диод Д 2 при открытом состоянии транзи-

120