1.3. Транзисторные ключи

Режим работы транзистора, при котором он находится в установившемся состоянии либо в области отсечки, либо в области насыщения, называется ключевым. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое. В зависимости от назначения транзисторного ключа и режимов его работы схема ключа видоизменяется.

Транзисторный ключ имеет самостоятельное значение и является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа. Для построения транзисторных ключей используют все три схемы включения транзисторов – ОЭ, ОК, ОБ. Наибольшее распространение получила схема ОЭ (рис.1.9,а), так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно небольшую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свойства за счет значительного коэффициента усиления по напряжению (K_u >> 1).

Выходные характеристики транзисторного ключа показаны на рис.1.9,б. Для того чтобы в отсутствие управляющего импульса напряжения транзистор надежно находился в отключенном состоянии (режим отсечки), на вход ключа подается запирающее напряжение (для транзистора p-n-p-типа, это положительное напряжение смещения). В этом случае коллекторный ток транзистора минимален и равен обратному току коллекторного перехода I_ко. Напряжение на коллекторе транзистора U_кэ = E_к - I_кR_к, т.е. оно несколько меньше напряжения источника питания. Рабочая точка А (рис.1.9,б) является точкой отсечки и соответствует закрытому состоянию транзистора. Для обеспечения надежности режима отсечки необходимо, чтобы соблюдалось неравенство U_бэ ³ 0,1 В.

Для перевода транзистора в режим насыщения (рабочая точка В на рис.1.9,б), т.е. в состояние, когда транзистор открыт, на базу p-n-p транзистора подают импульс отрицательной полярности. Амплитуда подаваемого импульса должна быть такой, чтобы транзистор был полностью открыт и через него протекал достаточный ток базы. В режиме насыщения напряжение на транзисторе (на выходе ключа) равно U_кэ.нас и зависит от тока базы. При этом через транзистор протекает ток насыщения цепи коллектора I_к.нас, представляющий собой максимальный ток через нагрузку R_к. Он определяется соотношением I_к.нас » Е_к/R_к.

Переходный режим ключа возникает при включении и выключении транзистора и определяет его быстродействие. Процесс включения условно делят на три этапа:

• задержка фронта;

• формирование фронта при отпирании транзистора;

• накопление избыточного заряда в базе транзистора.

Процесс выключения ключа условно делят на два этапа:

• рассасывание избыточного заряда в базе транзистора;

• формирование фронта при запирании транзистора.

Таким образом, биполярный транзистор нельзя считать безинерционным прибором. Для повышения быстродействия транзисторных ключей формируют оптимальную форму входного (управляющего) тока. Одним из простейших способов является использование ускоряющего конденсатора во входной цепи (показан на рис.1.9,а). Применение конденсатора позволяет скорректировать выходные импульсы ключа, приближая их по форме к прямоугольным.

Иногда для ускорения выключения транзистора к его коллектору подключают полупроводниковый диод, отпирающийся при насыщении транзистора и ограничивающий глубину насыщения.

В заключение следует отметить, что транзисторный ключ является одним из вариантов бесконтактного выключателя.