7. Транзисторные ключи

Транзисторные ключи являются основным элементом импульсных схем. Наиболее распространен ключ по схеме с общим эмиттером.

Рис.7.1. Принципиальная схема транзисторного ключа

Транзисторный ключ имеет три режима работы:

1. Режим отсечки: транзистор заперт (ключ разомкнут)

В этом случае заперты оба p – n перехода.

U_бэ < 0 U_бк < 0

I_K = I_KO I_Э << I_K (I_Б = I_Э – I_К)

I_б ≈ - I_КО

Рис.7.2. Динамические характеристики режима отсечки

На динамических характеристиках режим отсечки соответствует т. А.

2. Режим насыщения.

В этом случае открыты оба p – n перехода транзистор открыт (ключ замкнут)

U_бэ > 0 U_бк > 0

Напряжение на транзисторе U_K ≈ 0. Это напряжение на открытых p – n переходах.

R_тр ≈ 0.

- максимально возможный ток через транзистор.

На динамических характеристиках соответствует точке В транзистор переходит в режим насыщения при положительном приращении базового тока до значения, при котором изменение тока коллектора прекращается. Это соответствует переходу рабочей точки по линии нагрузки из точки А в точку В.

Определим ток базы насыщения, как минимальный ток, при которм ключ уже находится в состоянии насыщения.

, где

β – коэффициент тока базы.

При расчете ключевых схем используют токовый критерий насыщения, т.е. выбирают I_б > I_бн и критерий отсечки по напряжению.

3. Динамический режим соответствует переходу из т. А в т. В и обратно.

Этот режим имеет конечную длительность. Транзистор в этом случае работает как линейный элемент и потребляет мощность на себя, снижая тем самым КПД импульсного устройства. Влияние этого режима, ослабляется с увеличением ключей.

7.1 Процессы переключения транзистора в ключе

7.1.1 Включение

Пусть в момент времени t, подается отпирающее входное напряжение, ток базы скачком устанавливается .

Рис.7.3. Динамические характеристики включения

Причем R_б выбрано таким образом, что I_б > I_бн.

, где τ_тр – постоянная времени транзистора, определяемая емкостью n – p транзистора и характеризует инерционные свойства транзистора. Под действием тока базы, ток коллектора увеличивается и стремится к β*I_б.

Но на уровне тока насыщения увеличение тока прекращено, что соответствует моменту времени t₂. Далее ток коллектора не изменяется , но в базе транзистора происходит накопление избыточных носителей заряда до времени t₃.

I_б > I_бн

Динамическому режиму работы транзистора соответствует этап формирования фронта импульса [t₁, t₂]. Длительность фронта импульса можно найти из уравнения:

Из этой формулы видно, что длительность фронта уменьшается с увеличением тока базы.

7.2.2 Выключение

В момент t₄ подан импульс запирающего напряжения.

На этапе t₄, t₅ происходит накопление заряда в базе при этом I_К = I_КН, а ток базы определяется уравнением: .

На этапе t₄, t₆ происходит формирование импульса среза t_ср, находится аналогично. И уменьшается с увеличением отрицательного тока базы.

Соответственно из этих условий вытекает один из способов увеличения быстродействия ключей, он называется метод формирования оптимального тока базы.

Оптимальная форма тока будет иметь следующий вид:

Рис.7.4. Оптимальная форма тока

t₁, t₂ - соответствует формированию тока импульса I_б >> I_бн

t₂, t₃ - задана длительностью импульса I_б ≈ I_бн

t₃, t₄ – этап формирования среза I_б << 0

Практически эта диаграмма может быть реализована путем добавления форсирующего конденсатора в цепь базы.

Рис.7.5. Временная диаграмма схемы включения