4.2.1.2. Режим насыщения

В режиме насыщения не все носители, инжектированные эмиттером, попадают в цепь коллектора. Часть из них компенсируется обратным потоком неосновных носителей, идущих из коллектора в базу, что и приводит к прекращению роста тока коллектора при дальнейшем увеличении тока базы.

В режиме насыщения в цепи базы протекает ток:

, (4.7)

а на эмиттерном переходе падает напряжение U_бэ U_бэн. Обе эти величины находятся в результате совместного решения нелинейной зависимостиI_б =f(u_эб) и уравнения прямой линии (рис. 4.8,а). Ток коллектора при этом принимает максимально возможное значение, равное:

, (4.8)

где U_кэн– падение напряжения на насыщенном коллекторном переходе (графическое решение задачи нахожденияI_кн,U_кэнпоказано на рис. 4.8,б).

На границе насыщения токи I_кн,I_бнсвязаны уравнением:

, (4.9)

где₀– коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.

Рис. 4.9

Есть еще одна важная особенность режима насыщения, состоящая в том, что превышение током базы значения I_бнприводит к накоплению заряда неосновных носителей в базе и отражается, как известно, на динамических свойствах транзисторного ключа.

Небольшая величина падения напряжения на коллекторном переходе в режиме насыщения (десятые доли вольта) обусловливает сравнительно малые потери на нем даже при очень больших токах коллектора. Поэтому важно обеспечивать режим насыщения в самых неблагоприятных условиях работы ключа (изменение внешних условий, разброс величин элементов схемы и пр.). С этой целью выбирают ток базы с определенным коэффициентом запаса, показывающим, во сколько раз ток базы больше минимально необходимого для режима насыщения тока I_бн:

, (4.10)

где коэффициент Sпринято называть коэффициентом насыщения.

Перейдем теперь к рассмотрению следующего режима работы транзисторного ключа – режиму переключения. Здесь рассматривают несколько этапов.

4.2.1.3. Режим включения а)Этап подготовки

Подадим на вход схемы транзисторного ключа импульсный сигнал е_г, изображенный на рис. 4.9. До моментаt = 0 транзистор находился в закрытом состоянии под действием отрицательного уровня входного сигнала. Емкость эмиттерного переходаС_эбпри этом заряжена до значенияU_бэ(0) =Е₂.

С момента подачи положительного перепада Е₁ начинается процесс перезаряда емкостиС_эбпо экспоненциальному закону:

, (4.11)

где U_бэ () =Е₁,=R₁C_эб– постоянная времени входной цепи.

Интервал времени, за который напряжение на базе достигнет порогового значения U₀(рис. 4.8,а), определяет время задержки перехода к следующему этапу – переходу в насыщенное состояние:

=. (4.12)

Б)Этап формирования переднего фронта включения

В момент времени t₁будем считать, что ток в цепи базы резко возрастает до величиныI_б1 I_бн, но переход транзистора в режим насыщения происходит не мгновенно, а за конечное время. Основными причинами здесь являются накопление заряда неосновных носителей в базе и емкости коллекторного и эмиттерного переходов (рис. 4.7).

Анализ переходных процессов, возникающих на этом этапе, удобно провести методом заряда. Сущность этого метода состоит в следующем. Протекающий на этапе включения ток в цепи базы определяет скорость изменения заряда в базе, а также идет на перезарядку емкостей С_эбиС_кб, что можно отразить в виде дифференциального уравнения:

, (4.13)

где _– время жизни неосновных носителей в базе.

Когда емкостные токи невелики, уравнение упрощается:

(4.14)

и при скачке тока I_б1 в цепи базы (4.14) имеет решение:

. (4.15)

Зная закон изменения заряда, с достаточной точностью можно записать соотношение, устанавливающее связь между зарядом и током коллектора:

. (4.16)

Из уравнения (4.15) легко рассчитывается время формирования переднего фронта импульса тока коллектора. Это время достижения зарядом граничного значения Q_н, т. е. такого значения, при котором транзистор переходит в режим насыщения:

(4.17)

или, используя (4.16),

=. (4.18)

Здесь Q() =_I_б1– установившееся значение заряда в базе;Q₀– начальное значение заряда в момент коммутации состояния ключа;S– коэффициент насыщения. Для рассматриваемого этапа работы транзистораQ₀ = 0, так как к моменту отпирания транзистора ток управления отсутствовал.

Выражение (4.18) показывает, что длительность переднего фронта зависит от времени жизни неосновных носителей, т. е. от частотных свойств транзистора, которые оцениваются значением граничной частоты _ = 1/_– частотой, на которой коэффициент передачи по току₀ уменьшается враз.

Зависит она и от глубины насыщения S, уменьшаясь по мере ее увеличения. При больших значенияхSдлительность фронта близка к величине

. (4.19)

Если необходимо учесть емкость коллекторного перехода, то это приблизительно осуществляется заменой постоянной времени _на новое значение_экв =_ +₀С_кб R_к.