4.2. Транзисторные ключи

В настоящее время транзисторные ключи широко применяются в решении многих технических задач. Их используют для построения устройств преобразовательной техники, в числе которых источники электропитания постоянного и переменного тока, преобразователи частоты, активные компенсаторы реактивной мощности и другие. Причины этого состоят в возможностях гибкого управления ключами, способностях коммутации высоких уровней мощностей первичных источников при небольших потерях на ключах и высоком качестве преобразованной энергии.

Маломощные транзисторные ключи составляют основу построения дискретных и интегральных цифровых схем, а также целых цифровых комплексов. Здесь с их помощью решаются математические и логические задачи, происходит обработка аналоговой и цифровой информации.

Подчеркнув значимую роль ключевых элементов в энергетических и информационных преобразованиях, перейдем теперь к рассмотрению свойств их классических примеров.

4.2.1. Транзисторный ключ с общим эмиттером

Это наиболее распространенный вариант транзисторного ключа с резистивной нагрузкой; схема его изображена на рис. 4.7,

Рис. 4.7

а на рис. 4.8 показаны входная и выходные характеристики транзистора, позволяющие определить положение рабочей точки в закрытом и открытом состояниях транзисторного ключа.

4.2.1.1. Закрытое состояние

В закрытом состоянии оба перехода транзистора смещены в обратном направлении. Для этого на вход транзистора необходимо подать близкое к нулю или небольшое отрицательное напряжение, как это показано на рис. 4.9.

Для надежности запирания величина отрицательного напряжения выбирается из условия:

Е₂>I_коR₁, (4.5)

где I_ко– обратный коллекторный ток. Такой же приблизительно ток протекает в режиме запирания и в цепи базы.

Его величина, особенно у кремниевых транзисторов, очень мала (на уровне единиц наноампер), что позволяет не учитывать обратный ток в расчетах. Не учитываются также как большие входное и выходное сопротивления обратно-смещенных коллекторного и эмиттерного переходов.

Так как ток в цепи закрытого транзистора практически отсутствует, то напряжение на коллекторе транзистора в режиме запирания оказывается равным Е_к – напряжению источника питания.

При повышении напряжения на базе транзистора он начинает отпираться и, начиная с некоторого значения напряжения U₀, наблюдается резкое нарастание тока базы. У кремниевых транзисторов обычно принимаютU₀ = 0.5…0.6 В, а у германиевыхU₀ = 0.1…0.15 В.

С ростом тока базы увеличивается ток коллектора и уменьшается напряжение на коллекторе, и транзистор будет находиться в активном режиме, пока выполняются условия u_кб > 0,u_бэ > 0, т. е. эмиттерный переход будет смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В активном режиме между током базы и током коллектора выполняется известное соотношение:

I_к =I_б+I_коI_б. (4.6)

Наконец, при некотором управляющем токеI_бн (рис. 4.8,а) рабочая точка А на выходных характеристиках (рис. 4.8,б) транзистора переместится в такое положение, при котором ток в цепи коллектора практически перестанет зависеть от тока базы, а оба перехода окажутся смещенными в прямом направлении, что является необходимым условием для создания режима насыщения.

а б

Рис. 4.8