1.8. Силовые электронные ключи на основе составных биполярных транзисторов

Недостатком силовых электронных ключей на основе биполярных транзисторов является низкий коэффициент передачи тока базы. Этот недостаток особо проявляется у высоковольтных транзисторов. Поэтому между электронным узлом, формирующим закон управления ключом и который обычно реализован на основе микросхем, приходится включать каскад усиления мощности.

Для повышения коэффициента передачи тока и исключения каскада усиления мощности силовые электронные ключи выполняют путем соединения в специальные схемы нескольких транзисторов или путем изготовления на одном кристалле нескольких транзисторов, соединения в специальные схемы.

1.8.1. Схема Дарлингтона

Н а рис.1.21 приведена схема электронного составного ключа, выполненного по так называемой схеме Дарлингтона. При подаче на вход схемы импульса с указанной полярностью, возникает ток в цепи: + (U_вх) – R_б – база-эмиттер VT₁ – база-эмиттер VT₂ – общий провод. Ток коллектора VT1 I_к1= β₁ I_б1 , где β₁ коэффициент передачи тока транзистора VT_1, Ток эмиттера VT₁:

I_э1= I_к1+ I_б1= β₁ I_б1+ I_б1=(1+ β₁)I_б1,

Ток базы VT₂ I_б2= I_э1, а ток коллектора VT₂: I_к2= β₂ I_б2= β₂ I_э1= β₂(1+ β₁ ) I_б1.

Ток нагрузки: I_н= I_к2+I_к1= β₂(1+ β₁ ) I_б1+ β₁ I_б1= (β₂₊ β₁ β₂ +β₁ )I_б1, или приближенно , где результирующий коэффициент

Транзистор VT₂ не входит в режим насыщения. Поскольку при его нахождении в режиме насыщения напряжение U_кб.2<0, и следовательно ток коллектора I_к1 транзистора VT₁ прекратиться, что приведет к росту напряжения U_кэ.2 и U_кб.2. Поэтому напряжение U_кб2>0 и VT₂ не насыщается.

Недостаток схемы Дарлингтона – большое падение напряжение на ключе по сравнению с возможным минимальным падением напряжения на VT₂, работающем в одном режиме.

Диоды VD₁ и VD₂ необходимы для исключения выхода из строя транзисторов при их активном запирании, а так же для обеспечения режима активного запирания более мощного транзисторов, т.е. VT_2. При запирании ключа полярность входного напряжения U_вх меняется на противоположную. Ток проходит по цепи Общий провод – база-эмиттер VT₂ – база-эмиттер VT₁ – R_б – - (U_вх). Этот ток обеспечивает разряд ёмкостей эмиттерных переходов транзисторов. Ёмкость эмиттерного перехода VT₁ разряжаются до нуля быстрее, чем ёмкость эммиттерного перехода VT₂ , т. к. VT₁ имеет меньшую мощность и, соответственно, ёмкость эмиттерного перехода. При смене полярностей на эмиттерном переходе VT₁ открывается диод VD₁ и обратный ток через эмитерный переход транзистора VT₂ продолжается, способствуя запиранию VT₂. Если бы диод VD₁ отсутствовал, то это привело бы к прерыванию тока в цепи базы VT₂ после разряда ёмкости эмиттерного перехода первого транзистора. Следовательно прервался бы процесс активного запирания VT₂. После разряда емкости эмиттерного перехода второго транзистора открывается второй диод и ток замыкается через оба диода. При пассивном запирании ключа диоды заменяют на резисторы.