Особенности ключевого режима работы биполярного транзистора

В общем случае возможно построение ключей с использованием всех трех смех его включения, но наибольшее распространение получила схема с ОЭ.

1. Ключи с ОЭ работают при незначительных мощностях сигнала управления

2. Имеют высокий коэффициент усиления по напряжению, что обеспечивает наилучшее формирование свойств ключа

Схема ключа инвертора

Рис.20

Эффект Эрли — уменьшение базовой области за счет увеличения коллекторной области.

Нагрузочная прямая определяет коэффициент усиления

Анализ статического состояния ключа

При обратном смещении напряжение Uкэ>=0 и Uкб<0 (p-n-p), Uкэ<=0 и Uкб>0 (n-p-n).

На основе ключей создаются триггеры, компараторы, блоки генератора.

Рис.21

Это быстродействующий ключ. Имеет два состояния разомкнутый (режим отсечки) и замкнутый (режим насыщения или близкое к нему).

В режиме глубокой отсечки приложено напряжение к переходам превышающее (3..5)m _T .

Характеристики отсечки снимаются при разомкнутой цепи эмиттера, тогда ток коллектора равен Iэ=0 Iк=Iкб0=-Iб.

Ввиду того что обычно h21эi<<h21эn Iэ->0.

В закрытом состоянии точка А Uкэа=Ек-Iкб0*Rк≈Ек; Rт(транзистора)=Uкэа/Iкб0=Ек/Iкб0

Для быстродействия ключа используют небольшое сопротивление Rк. Поэтому сопротивление выходное цифрового ключа рассматривается сопротивлением коллектора Rк Rвых= Rк|| Rт|| Rн.

С уменьшением до нуля напряжения приложенного к базе (Uбэ=0) транзистор продолжает оставаться запертым, при этом ток базы остается практически неизменным. Ток эмиттера на границе отсечки существенно изменяется.

Глубина отсечки, а также токи коллектора и эмиттера зависят от значения сопротивления включенной в цепь базы.

Рис.22 График токов транзистора в области отсечки и начале активной области. (Rб’’>Rб’)

В этой точке пересечение прямых с током базы определяет режим работы транзистора. Поэтому сопротивление базы рекомендуется выбирать |I_кб0R_б=U_кб|<U_вх

В режиме насыщения переходы смещены в прямом направлении, при этом напряжение кэ мало и при малом токе коллектора составляет десятки милливольт.

Сопротивление насыщения определяется по закону Ома Rн=Rт=Uнас.кэ/Iнас.к

Максимальный ток коллектора должен быть меньше Iмах.к≈Eп/Rт

Коэффициент насыщения показывает - во сколько раз ток протекающий в цепи базы больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение.

Параметры входной цепи:

-Входной ток закрытого транзистора Iкб0

-Напряжение управления необходимое для надежного запирания транзистора

-Максимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для надежного отпирания транзистора

-Входное сопротивление транзистора в активном состоянии (или напряжение для обеспечения надежного открытого состояния)

Выходные параметры:

-Выходное сопротивление ключа (Rк при замкнутом, Rнас при открытом)

-Максимальный ток открытого ключа Iнас

-Минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии

-Максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора. U_кэ=Е_п-I_кб0R_к

-Коэффициент использования напряжения питания. Ku=(Uкэ.закр-Uкэ.нас)

Режимы работы усилителей:

-режим «А» — характеризуется тем, что точка покоя выбирается в средней используемой для работы части нагрузочной прямой

Рис.23

КПД такого режима невелико (<0.5)

-режим «В» - работает с отсечкой тока (пол периода пропускает ток, пол периода закрыт) Этот режим принято характеризовать углом отсечки (рис.24), который равен половине длительности импульса в угловом исчислении. Потребление энергии в «В» меньше чем в «А», поэтому КПД выше. В идеальном случае угол отсечки равен пи/2.

Рис.24

-режим «АВ» - угол осечки больше и КПД больше

-режим «С» - угол меньше пи/2. При малом угле отсечки КПД каскада велико. Однако с уменьшением отсечки возрастают уровни высших гармоник по отношению к первой гармоники. Поэтому этот режим не пригоден для электронный усилителей звуковых диапазонов частот.

-режим «Д» - режим работы эл.ключа. В закрытом и открытом состоянии потери в режиме «Д» ничтожны и КПД почти 100%. Двухтактный усилитель.