ШПОРЫ_1 / 8. Ключ на биполярном транзисторе

§10 Ключ на биполярном транзисторе.

Входная логика диодно-транзисторного ЛЭ (ДТЛ) образована ЛЭ ДРЛ, а выходной каскад выполнен в виде инвертора, работающего в режиме электронного ключа. Параметры такого ЛЭ во многом определяются параметрами выходного каскада, поэтому целесообразно более подробно рассмотреть физические процессы, происходящие в электронном ключе.

На рис.10.1. приведена схема ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.

 

Рисунок 10.1

Управление состоянием такого ключа осуществляется сигналом Uвх, задающим ток базы Iб транзистора и напряжение Uбэ на его эмиттерном переходе. Связь между коллекторным током и коллекторным напряжением Uкэ имеет вид:

Uкэ=Eп-IкRк

(10.1)

На семействе выходных статических характеристик это уравнение определяет прямую линию.

 

Рисунок 10.2

Если Uвх=0, то Iб=0 и состояние схемы определяется точкой В. Транзистор находится в режиме отсечки, сопротивление участка коллектор-эмиттер Rэк велико по сравнению с Rк, ключ разомкнут и выходное напряжение имеет высокий уровень близкий к уровню питания

U¹вых=Uкэ.отс=Eп-IкэоRк

(10.2)

В режиме отсечки на транзисторе выделяется небольшая мощность

Pотс=Iкэ.отсUкэ.ост

(10.3)

При постурлении на вход ключа напряжения ступеньчатой формы (рис.10.3), в цепи базы появляется ток такой же формы.

 

Рисунок 10.3

При этом эмиттерный переход смещается в прямом направлении и начинается инжекция электронов из эмиттера в базу. В базе происходит увеличение концентрации электронов являющихся неосновными носителями, а значит происходит увеличение заряда базы до значения Qб, соответствующего току базы Iб . Поскольку значение коллекторного тока определяется концентрацией неосновных носителей в базе, то зависимость iк(t) должна повторить по форме зависимость qб(t). Но т.к. значение коллекторного тока ограничено сопротивлением резистора Rк, то этот ток, достигнув значения Iкнас=Eп/Rк, по мере роста qб будет оставаться неизменным. Разность Q=Qб-Qбнас называется избыточным зарядом, а неосновные носители, которые его создают- избыточными.

Время, в течение которого коллекторный ток транзистора изменятся от значения Iкэо до значения Iкнас, называется временем включения транзисторного ключа и обозначается tвкл.

Значения Iкнас коллекторный ток достигает при токах базы Iб>=Iбнас. Отношение S=Iб / Iбнас называется степенью насыщения транзистора. Чем больше S, тем быстрее происходит рост заряда базы qб и тем быстрее коллекторный ток достигает значения Iкнас, что приводит к уменьшению времени включения. С этой точки зрения стараются обеспечить S=1.5...3.

При работе транзистора в режиме насыщения сопротивление Rкэ не превышает десятков Ом, вследствие чего Rкэ«Rк и на выходе ключа формируется напряжение низкого уровня U°вых=Uкэнас=0.2...0.4 В.

Вследствие малости напряжения Uкэнас несмотря на сильный ток Iкнас, протекающий через транзистор, выделяющаяся в нем мощность Pнас=IкнасUкэнас оказывается также значительно меньше чем Pmax.

При переходе от режима насыщения к режиму отсечки Uвх=0, прекратится поступление (инжекция) электронов из эмиттера в базу и начнется уход из базы (рассасывание) накопленных в ней в режиме насыщения избыточных неосновных носителей, сопровождающийся протеканием коллекторного тока.

Пока в базе существует избыточный заряд, сила коллекторного тока будет поддерживаться на уровне Iкнас.

Время, в течение которого избыточный заряд уменьшается до нуля (Qб=Qбнас) называется временем рассасывания tрасс. Чем больше S, тем больше избыточный заряд и тем больше tрасс. По истечении времени tрасс ток iк начнет уменьшаться до уровня Iкэо.

Время, от момента окончания входного отпирающего импульса до достижения коллекторным током значения Iкэо, называют временем выключения транзисторного ключа tвыкл.