1.7 Переходные процессы в ключах на униполярных транзисторах
На рисунке 1.36 изображена схема с двумя униполярными ключами, включенными друг на друга.
|
+E0 |
|
|
Rc1 |
Rc2 |
|
|
Cзс |
VT1 |
Cси1 Cпар |
VT2 |
|
|
Cзи
Cзп
Рисунок 1.36 – Схема с двумя униполярными ключами
Cсумм = Сси1 + Спар + Сзи + Сзп + Сзс (1+ Кu) , где
Сси1– емкость транзиcтора VT1;
Спар– емкость присоединительных проводников; Сзи – емкость затвор–исток транзистора VT2; Сзп – емкость затвор–подложка VT2;
Сзс – емкость затвор–сток VT2;
Кu – коэффициент усиления по напряжению.
Последняя составляющая Сзс(1+Ku) имеет наибольшую величину вследствие действия обратной связи, в литературе иногда это обстоятельство называют эффектом Миллера.
Если на вход подать высокий уровень, то VT1 откроется, напряжение на стоке VT1 будет почти нулевым. То же самое будет на затворе VT2, а значит VT2 – закрыт. При этом до открытого состояния VT1 на стоке VT1 было напряжение равным Е0 (когда VT1 закрыт). Следовательно, все конденсаторы, объединенные в Ссумм. были заряжены. Поэтому, в момент открывания VT1 через него будет протекать два тока: 1- ый по цепи+E0 Rc1 VT1 земля , и 2-ой ток –
+Cсумм сверху открывшийся VT1 земля − Ссуммснизу. Этот ток вначале на пике,
потом убывает по экспоненте.
Емкость Сзс вследствие эффекта Миллера, т.е. действия ООС по напряжению, увеличена в Cзс(1+KU ) раз, где KU – несколько десятков или сотен единиц, т.е. это
основная составляющая суммарной емкости, снижающая быстродействие униполярных ключей (недостаток). Этот недостаток есть и у электронных ламп, но его нет у биполярных транзисторов.
40
На рисунке 1.37 изображены временные диаграммы переходных процессов.
E0 |
I = |
Rc1 |
Рисунок 1.37 – Временные диаграммы переходных процессов
Принимаем уровни 0.1E0 и 0.9E0 для оценки времен фронта и спада. На интервале спада процесс описывается следующим образом
|
|
|
|
− |
t |
|
|
|
|
|
|
U(t) = E0e |
τc |
, |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
где τc |
= СсуммRсиоткр |
|
|
|
|
|
|||
для интервала tc на уровнях 0.1E0 ,0.9E0 . |
|
||||||||
|
|
tc ≈ 2.3τc = 2.3CсуммRсиоткр |
|
|
|||||
Примем Cсумм = 3 10−12 Ф, Rсиоткр = 3 103 Ом, тогда tc 20 10−9 c = 20нс |
|
||||||||
Для |
фронта, когда VT1 |
закроется, |
|
ток |
протекает |
по цепи |
|||
+E0 Rc1 Cсумм земля. |
Происходит |
заряд емкостей, |
формируется |
экспонента |
|||||
фронта: |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
||
|
|
U (t) = E0 (1−e |
τф ) , |
|
|
||||
где tф = 2.3τф = 2.3СсуммRc1 .
Примем Cсумм = 3 10−12 Ф, Rc1 = 50 103 Ом, тогда tф 300 10−9 с = 300нс.
Таким образом, фронт намного длиннее в сравнении со спадом для случая резистора в стоковой цепи. Если вместо резисторов Rс1 и Rс2 включить нагрузочные транзисторы по принципу комплементарной пары (рисунок 1.23,в), то их сопротивление (верхних транзисторов) составит тоже примерно 3кОм (вместо 50 кОм) в открытом состоянии, и фронт будет такой же по длительности, как и спад.
41
1.8 Потери в ключах в импульсном режиме
Реальные процессы для систем первого порядка описываются экспонентами, однако здесь, для упрощения выводов, экспоненты заменены прямыми (см. рисунок 1.38).
Вначале ток нарастает по i1 , достигает уровня открытого состояния i2 , убывает до нуля i3 , i4 принимаем равным нулю. При этом выделяем фронт (tф ) и спад (tс ) , как у биполярных транзисторов, но выводы относятся к любым ключам.
Uупр |
|
T |
|
|
|
|
|
|
tu |
|
t |
I |
|
i2 |
|
|
i1 |
i3 |
|
|
tф |
tс |
i4 |
U |
t |
||
|
|
U4 |
|
E0 |
U1 |
|
|
U3 |
|
||
|
|
||
|
U2 |
|
|
|
|
|
t |
Рисунок 1.38 – Процессы, протекающие в ключах
tu– длительность импульса; Т – период.
1 i |
|
= I |
|
|
t |
|
1 U |
1 |
= U |
откр |
+ E |
0 |
− E |
0 |
t |
||||||
1 |
откр |
tф |
tф |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
2 |
i2 |
= Iоткр |
|
|
|
2 |
U2 |
= Uоткр |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3 |
i3 |
= Iоткр |
−Iоткр |
t − tu |
3 |
U3 |
= Uоткр |
+ E0 |
|
t − t u |
|||||||||||
tc |
|
tc |
|
|
|||||||||||||||||
4 |
i4 |
= 0 |
|
|
|
|
4 |
U4 |
= Uоткр |
+ E0 |
|
|
|
|
|
||||||
Потери мощности в импульсном режиме на ключе определяется следующим выражением:
42
|
1 |
T |
|
|
1 |
|
tф |
|
|
tu |
|
|
|
tu +tc |
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
∫ |
|
|
|
∫ |
|
|
|
∫ |
|
|
|
||
P = |
T ∫ |
U i |
dt = |
T |
( |
U i |
dt + |
U |
i |
dt + |
U |
i |
dt + |
U |
i |
dt) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
i i |
|
|
|
|
1 1 |
|
|
2 |
2 |
|
|
3 |
3 |
|
|
4 |
4 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
tф |
|
|
|
tu |
|
|
|
tu +tc |
|
|
|
Произведем подстановку значений U1–U4, i1–i4, преобразовав, получаем формулу:
P = P |
|
= |
|
E2 t |
u |
|
|
( |
Uоткрtu |
+ |
t |
s |
) , Вт |
||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
расс |
|
|
RнT |
|
|
|
|
|
|
E0T |
|
3T |
|||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ts |
= tф + tc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
tф |
= τβln( |
|
|
|
|
|
0 − Iб |
τβ |
|
|
) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб |
|
τβ − Iб τβ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гр |
1 |
|
|
|
|
||
tс |
= τβln( |
Iб |
гр |
τβ + Iб2 |
τβ |
) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
0 + Iб2 |
τβ |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
τ |
β |
= |
|
1 |
≈ − |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
2πfв |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
ωβ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Iб гр соответствует рисункам 1.17 и 1.34, Iб1 ≈ Iбгр к, где к ≈1,2−3 , Iб2 ≈ Iб1 . В этих формулах принято, что напряжение определяется суммой Е0 и Uоткр.
Физический смысл этого заключается в том, что параллельно ключам вводятся диоды VD. На рисунке 1.39 представлены схемы с потерями в ключах в импульсном режиме.
Рисунок 1.39, а, б – Схемы с потерями в ключах в импульсном режиме
ВП- или Т-схемах можно выделить отдельный ключ с индуктивной нагрузкой
идиодом VD (см. рисунок 1.39, б), который предназначен для удовлетворения закона сохранения тока или иначе для защиты от ЭДС самоиндукции.
Пусть ключ открыт, протекает ток: +E0 L открытый ключ земля, в момент
закрывания образуется ЭДС самоиндукции, которая преодолевает возрастающее сопротивление ключа и если диода нет, то он будет пробит. При наличии диода
43