Работа транзистора в ключевом режиме
Одна из простейших схем транзисторного ключа приведена на рис. 6.22, а временные диаграммы для этой схемы – на рис. 6.23. Схема с общим эмиттером используется в транзисторном ключе чаще всего потому, что по сравнению с другими схемами может быть получен максимальный коэффициент усиления по мощности.
Рис. 6.22. Схема транзисторного ключа
При отсутствии управляющего сигнала транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки, так как на базу подано положительное значение напряжения смещения Ucм (рис. 6.23, а). Состояние отсечки соответствует положению – «разомкнутый контакт». Источник положительного напряжения смещения + Ucм вводится в цепь базы для ограничения не равного нулю тока IКО, проходящего через цепь нагрузки. При подаче отрицательного управляющего сигнала (рис. 6.23, б), амплитуда которого превышает значение напряжения смещения, на базу транзистора подается отрицательный сигнал (рис. 6.23, в) и он переходит в состояние насыщения, которое аналогично замкнутому контакту. В закрытом состоянии потенциал коллектора (Uвых) близок к (–UК), в открытом – к (+UК) (рис. 6.23, г).
Для обеспечения режима насыщения необходимо, чтобы значение тока базы соответствовало следующему условию (рис. 6.23, д):
IБ нас IК нас/мин, (6.16)
где IК нас – ток коллектора в режиме насыщения;
мин – минимальный статический коэффициент усиления транзистора.
Рис. 6.23. Временные диаграммы в схеме транзисторного ключа
При открытии транзистора ток эмиттера IЭ появляется практически мгновенно (рис. 6.23, е), его задают в ключевых схемах на 20-30 % больше номинального тока IЭ ном. Превышение тока эмиттера над номинальным называется избыточным током, а отношение
(6.17)
называется коэффициентом (глубиной) насыщения.
Ток в цепи коллектора (рис. 6.23, ж) появляется позже на время задержки включения (t2 – t1), которое затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных носителей. Это время незначительно и в случае приближенных расчетов им пренебрегают.
Разность (t3 – t2) – время фронта импульса коллекторного тока (на уровне IК=Iк нас заканчивается переходный процесс в коллекторной цепи).
Разность (t4 – t3) – время продолжения переходного процесса в базе, так как концентрация инжектированных носителей зарядов при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время возрастать.
Момент окончания переходного процесса в транзисторе соответствует моменту времени t4.
Разность (t4 – t1) – время установления, соответствует времени заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода.
Разность (t6 – t5) – время задержки включения, при котором IК = IКнас.
Приложение к эмиттерному переходу обратного напряжения вызывает в начальный момент значительный обратный ток вследствие насыщения перехода свободными носителями зарядов. Этот ток протекает до момента времени t7. После момента времени t5 – подачи запирающего напряжения в коллекторной цепи, и момента времени t7 в цепи эмиттера токи начинают снижаться, что связано с рассасыванием накопленного заряда в базе.
Завершение переходного процесса происходит в момент времени t8.
Разность (t8 – t6) – время спада импульса коллекторного тока.