2.4.3. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме
|
Рисунок 5.9 – Последовательная схема электронного ключа на биполярном транзисторе npn – типа
|
При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером. Поэтому далее будет рассматриваться именно эта схема включения. На рисунке 5.9 и 5.10 приведены последовательная схема электронного ключа на биполярном транзисторе рnр - структуры и семейство выходных характеристик биполярного транзистора. Проведем на семействе выходных характеристик нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению сопротивления Rк. Нагрузочная прямая пересечет оси координат в точках Uкэ = Ек и Iк=Ек / Rк. Пересечение кривой UкБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насыщения (точка Нс). Пересечение кривой IБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка От). |
|
Рисунок 5.10 – Выходные характеристики биполярного транзистора npn – типа
|
Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки Нc (режим насыщения), либо правее точки От (режим отсечки). Нахождение между точками Нc и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот. Длительность нахождения транзистора в этой области зависит от его частотных свойств. Поэтому именно эти свойства в большей степени и определяют предельное быстродействие схемы коммутации.
|
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ НАСЫЩЕНИЯ «КЛЮЧ
ЗАМКНУТ»
Режиму насыщения соответствует прямое смещение как эмиттерного перехода (ЭП), так и коллекторного перехода (КП) биполярного транзистора. Поэтому ток его базы равен сумме токов этих двух переходов и для транзистора выполняется неравенство:
(5.1)
где IБ нас - реальный ток насыщенного транзистора (IБ5 на рисунке 5.10), соответствующий UКЭ нас; IБ гр — базовый ток, соответствующий границе активного режима и режима насыщения UКБ = 0 (ток IБЗ на рисунке 5.10).
Превышение тока I Б нас над током IБ гр принято характеризовать коэффициентом насыщения:
(5.2)
|
Рисунок 5.11 – Схема замещения транзистора в режиме насыщения
|
Расчеты показывают, что оптимальное значение для qнас должно быть в пределах 1,5-2,0. Значение qнас выбирается из следующих соображений: режим насыщения должен обеспечиваться при заданном технологическом разбросе параметров транзистора с учетом зависимости этих параметров от внешних возмущающих воздействий, например температуры. Увеличение IБ нас приводит к увеличению напряжения на прямосмещенном КП, что ведет к уменьшению напряжения Uкэ, то есть уменьшению мощности рассеяния в выходной цепи транзистора. Транзистор в режиме насыщения представляется схемой замещения (рисунок 5.11), которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что он «стянут в точку»).
|
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ ОТСЕЧКИ «КЛЮЧ
РАЗОМКНУТ»
Для уяснения особенностей работы VТ в данном состоянии воспользуемся его ВАХ (рисунок 5.12). Они отражают зависимости токов транзистора от напряжения на ЭП при его обратном и прямом смещении. При этом прямое смещение рассматривается только в области малых уровней инжекции. Ток Iк транзистора принципиально не может быть меньше значения тока Iко.
|
Рисунок 5.12 – Начальный участок ВАХ биполярного транзистора
|
Напряжению
UБЭ=0
соответствует Iк
нач = IКБО
h21ЭI,
то
если при UБЭ
= 0 в коллекторной цепи транзистора
протекает некоторый начальный
ток
Iк
нач, который в h21ЭI
раз больше IКБО,
где h21ЭI
—
коэффициент
передачи по току
для инверсного включения.
Значение
IБ
пор определяется
выражением
При UБЭ = 0 можно допустить h21ЭI h21Э. Принято считать, что транзистор выключен, если выполняется условие: Iк 0,1к нас, что соответствует смещению ЭП в прямом направлении, меньшему некоторого порогового значения напряжения UБЭ пор (рисунок 5.12). Поэтому на практике в зависимости от реального напряжения на ЭП различают две разновидности выключенного состояния транзистора. |
|
Рисунок 5.13 – Управляющая цель транзисторного ключа
|
1. Режим глубокой отсечки (РГО) — эмиттерный переход смещен внешним источником в обратном направлении (UБЭ < 0), а ток IБ равен току обратно смещенного коллекторного перехода IБ = -Iкбо. Для обеспечения режима глубокой отсечки важно не только наличие в цепи ЭП запирающего источника Езап, но и значение сопротивления управляющего резистора Rу, включенного во входную цепь транзистора (рисунок 5.13). Ток IКБ0 создает на этом резисторе Rу падение напряжения RуIКБ0. Поэтому непосредственно к ЭП прикладывается разность напряжения запирающего источника и падения напряжения на резисторе Ry, то есть UБЭ зап = Uзап – IКБОRу. |
Для режима глубокой отсечки:
(5.3)
2. Режим пассивного запирания (РПЗ) характеризуется неравенством 0 < UБЭ < UБЭпор. В режиме пассивного запирания мощность, рассеиваемая транзистором, больше, чем в режиме глубокой отсечки. Для режима пассивного запирания:
(5.4)
Таким образом, в режиме отсечки (ключ разомкнут) через транзистор протекает минимальный ток. Это состояние соответствует точке От (рисунок 5.10), когда Iк = IКБ0 0, а напряжение на транзисторе Uкэ Ек. Транзистор в режиме отсечки может быть представлен схемой замещения (рисунок 5.14), содержащей только один источник тока Iкбо, включенный между коллектором и базой.
|
Рисунок 5.14 – Схема замещения транзистора в режиме отсечки |
Причинами переходных процессов, возникающих в схеме транзисторного ключа при переключении, являются процессы, связанные с изменением пространственного заряда неосновных носителей в области базы, и процессы, связанные с перезарядом барьерных емкостей переходов. Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощности Рк = UкэIк, теряемая на транзисторном ключе, мала, так как мало напржение. напряжение Uкэ нас приводится в справочниках. Для создания электронного ключа следует выбирать транзистор с малым Uкэ нас (Uкэ нас <<Ек). |
При работе транзисторного ключа переключение из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД.