Лекция № 15 схемы ключей на биполярных и полевых транзисторах.

Цель: изучить схемы ключей на биполярных и полевых транзисторах.

Задачи:

1. Рассмотреть схемы ключей на биполярных транзисторах

2. Охарактеризовать схемы ключей на полевых транзисторах

1 Схемы ключей на биполярных транзисторах

Нагрузочный резисторRн включен в коллекторную цепь транзистора с заземлённым (общим) эмиттером. Входной управляющий сигнал поступает на базу транзистора в виде чередующихся уровней напряжения Е1 и Е2 обеспечивающие разомкнутое или замкнутое состояние ключа. Если на базу транзистора подать отрицательное напряжение, то ключ разомкнут. В этом случае транзистор работает в области отсечки коллекторного тока, когда эмиттерный и коллекторный переходы закрыты, т.е. к ним приложения обратные напряжения. Внешние токи транзистора в режиме отсечки.

Iэ ≈ 0; Iк= Iкб_о; Iб = - Iкб_о.

Таким образом, напряжение на коллекторе транзистора Uк = Eк – Iкб_о∙Rн ≈ Eк,

что соответствует отключению нагрузки от цепи источника питания (ключ разомкнут) и Uн → “0”.

Для ограничения тока базы открытого транзистора обычно включается резистор Rб. При подачи отрицательного напряжения –Е2 от источника необходимо учитывать напряжение на базе транзистора: Uб = Uбэ = -E2 + Iкб_о∙Rб ≤ Uпор, где Uпор — положительное напряжение Uбэ на перехо­де база-эмиттер транзистора.

При работе ключа в области высоких температур резко возрастает значение тока Iкб_о (особенно для герма­ниевых транзисторов) и Iкб_о∙Rн > E2, при этом транзистор переходит из режима отсечки в активный режим работы и считается открытым.

Поэтому необходимо учитывать уровень –Е2.

При подаче на базу положительного напряжения Е1 транзистор работает в активном режиме или в режиме насыщения (ключ замкнут). В режиме насыщения оба перехода транзистора - коллекторный и эмиттерный — открыты и к ним приложено прямое напряжение. Условием насыщения транзистора является: Iб > Iбн = Iкн/β = Eк/Rн∙β. Выходное напряжение при замкнутом ключе: Uн = Eк – Rтр∙Iк ≈ Eк.

Недостатком рассмотренных выше схем ключей является незаземленность нагрузки по постоянному току. Поэтому один вывод нагрузки Rн обычно подключают к коллектору транзистора, а другой — заземляют.

Вэтом случае напряжениеUкэ является выходным напряжением схемы, которое при запирании транзистора устанавливается равным Uвых = Eк∙Rн / (Rк + Rн),

а через нагрузку Rн протекает ток Iн = Eк / (Rк + Rн).

Чтобы получить максимальный уровень выходно­го напряжения Uвых≈Eк, выбирают Rк<<Rн. При этом Iн ≈ Eк / Rн.

2 Схемы ключей на полевых транзисторах.

В качестве ключевых элементов используются обычно МДП-транзисторы с индуцированным кана­лом, которые при нулевом значении напряжения Uзи обеспечивают разомкнутое состояние ключа (транзис­тор закрыт), т.е. ключ с n-канальном управляется положи­тельным напряжением. При подаче высокого уровня напряжения Uвх транзистор открывается и напряжение Uси = Uост на нем определяется положением рабочей точки О на нагрузочной прямой выходной характе­ристики, положение которой зависит от сопротивления Rс и входного напряжения Uвх. При увеличении Rс и Uвх напряжение Uост уменьшается. Однако с увеличением Rс ухудшается быстродействие ключа, которое определяется в основ­ном зарядом выходной емкости Свых через резистор Rс при запирании транзистора.

При запирании транзистора низким уровнем входного напряжения (Uвх<Uо) выходное возрастает по экспонициальному закону с постоянной времени τ_ф≈Rc∙Cвых стремясь к максимальному значению Uвых.max≈Ес.

Время нарастания выходного напряжения при запирании транзистора определяется обычно между уровнями 0,1(Ес-Uост) и 0,9(Ес-Uост) и равно t_ф≈2,3τ_ф = 2,3Rc∙Cвых.

Время спада выходного напряжения ключа при отпирании транзистора уровнем напряженияUвх¹ определяется разрядом ёмкости Uвых через открытый транзистор и равно: tc≈1,5∙Cвых∙Rо, где Rо – среднее внутреннее сопротивление транзистора в период разряда Cвых. Учитывая, что Ro<<Rc можно записать tc<<tф.