10. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

10.1. Принципиальная схема и параметры электронных ключей

на биполярных транзисторах

Электронными ключами называют электронные схемы, предназначен-

ные для замыкания и размыкания электрических цепей под воздействием внешних управляющих сигналов. В качестве ключевых элементов таких схем могут быть использованы полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и т.д. Независимо от схемных решений и типа исполь-

зуемого ключевого элемента любой электронный ключ характеризуется рядом статических и динамических параметров.

Статические параметры электронных ключей (параметры установивше- гося режима) наиболее полно характеризуются передаточной характеристикой – зависимостью величины выходного напряжения или тока от величины входного напряжения (тока). Обычно используется передаточная характеристи- ка, определяющая зависимость выходного напряжения ключа от входного

Uвых = f (Uвх ).

Динамические параметры электронного ключа определяются скоростью протекания переходных процессов, возникающих в схеме при подаче на вход ключа прямоугольного импульса напряжения или тока. Поэтому динамические параметры ключа называются также параметрами быстродействия.

Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 10.1, а. В исходном состоянии при Uвх = 0 или Uвх = Uвх зап БТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки. Для уменьшения остаточного тока коллектора до величины обратного тока коллекторного перехода IКБ0 на базу транзистора

через резистор R1 подается запирающее напряжение Uсм , которое выбирается

из условия

сторов, имеющих малое значение тока IКБ0 , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения Uсм можно ис-

UКЭ = const и выходных IК = f (UКЭ ) при IБ = const характеристик транзистора.

Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показан- ной на рис. 10.1, б, где

141

На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис. 10.2, а, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением

По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характе- ристиками, соответствующими токам базы IБ = IБ';IБ'';K, определяются зна- чения напряжения коллектор – эмиттер, которое является выходным

UКЭ = Uвых . Далее по входной характеристике БТ IБ = f (UБЭ ) при UКЭ > 0 для тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-

Рис. 10.1

142

По известным парам значений напряжения (Uвх , Uвых ) строится передаточ-

ная характеристика, показанная на рис. 10.2, в. Форма характеристики зависит от па- раметров элементов электронного ключа. На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствую-

щими входному пороговому напряжению нуля U0пор и единицы U1пор .

При Uвх < U0пор ключ закрыт (транзистор находится в режиме отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

Пороговое напряжение нуля – значение входного напряжения, при ко- тором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчиты-

вается по формуле

где h21Э – статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ; h11э – входное

сопротивление БТ с ОЭ.

На участке усиления для входного тока ключа справедливо выражение

143

Ток базы насыщения, соответствующий этой точке, определяется выражением

При дальнейшем росте Uвх ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяется коэффици-

где IБm – ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если

S > 1, то ключ насыщенный.

Для повышения КПД электронного ключа необходимо, чтобы транзистор в нем надежно насыщался, в этом случае на открытом БТ будет рассеиваться мини- мальная мощность, а значит, будут минимальными потери. Поскольку значения параметра h21Э имеют существенный разброс для партии БТ конкретного типа,

достигающий порой сотен процентов, то для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение ко- эффициента насыщения S =1,5K3. Следует помнить, что чрезмерное увеличение

S снижает быстродействие ключа.

10.2. Быстродействие транзисторного ключа

Параметры быстродействия транисторного ключа определяются парамет- рами используемого транзистора, номинальными значениями элементов схемы, сопротивлением нагрузки и ее характером. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного им- пульса показаны на рис. 10.3. На них указаны временные интервалы, опреде- ляющие количественно параметры быстродействия ключа.

На интервале времени [t0 , t1] происходит нарастание коллекторного тока

и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может из- мениться мгновенно, что обусловлено конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода. Этот

промежуток времени называется временем включения и рассчитывается по формуле

144

На промежутке времени [t1, t2 ] при действии максимального входного

напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока, называется временем спада:

ния. В случае если Cн > h21ЭCк , время нарастания коллекторного напряжения tнр U может превысить время спада:

145