Транзисторные ключевые схемы

Транзисторные ключевые схемы являются важнейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основное значение электронных ключей состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Качество транзисторного ключа определяется:

1. Минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии.

2.Минимальным током в разомкнутом состоянии.

3.Временем перехода из одного состояния в другое.

Наиболее широкое применение в качестве транзисторных ключей находят каскады с общим эмиттером (ОЭ), так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно небольшую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свойства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению (К_U >> 1).

Схема простейшего ключевого каскада. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 3.2а) в ключевом режиме. При рассмотрении воспользуемся графическим методом расчета транзисторных ключей, который заключается в следующем. На выходных характеристиках транзистора строится нагрузочная прямая, пересекающая оси координат в двух точках: в точке холостого хода (U_КЭ = Е_К ;I_К = 0) и в точке короткого замыкания (). Выходные характеристики с нагрузочной прямой приведены на рис.3.3.

В ключевом режиме транзистор имеет два состояния.

1. Состояние (режим) отсечки ("ключ разомкнут"). При этом через протекает минимальный ток I_КО - обратный ток коллектора. Это состояние соответствует точке А, ток коллектора I_Kотс = I_KO » 0, напряжение на коллекторе .

В режиме отсечки должно выполнятся условие U_Kотс < U_КЭmax, где U_КЭmax - максимальное допустимое для данного типа транзистора напряжение коллектор-эмиттер (приводится в справочниках).

а) б)

Рис.3.2. Схема простейшего транзисторного ключа (а) и
диаграмма его работы (б).

Рис. 3.3. Режимы работы транзисторного ключа.

Для того чтобы транзисторный ключ находился в состоянии отсечки необходимо сместить в обратном направлении переход база-эмиттер, т.е. для р-n-р типа транзистора обратной проводимости - U_б < 0.

Для входной цепи схемы на рис.3.2а можно записать

Отсюда условие выбора R_б (для надежного запирания транзистора) примет вид

2. Состояние (режим) насыщения ("ключ замкнут"). Этому состоянию соответствует точка В на рис.3.3. Минимальное напряжение на транзисторе (напряжение насыщения)

Ток через транзистор ограничен резистором R_K и определяется

В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому напряжения между электродами транзистора малы.

При выборе R следует учитывать условие

где I_Kmax - максимальный допустимый ток коллектора для данного типа транзистора (приводится в справочниках).

Ток базы в режиме насыщения должен удовлетворять условию

где I_{б нас} - ток базы насыщения;

В - статический коэффициент усиления по току.

Из неравенства условие выбора Rк для обеспечения насыщения транзистора имеет вид

Отсюда

Транзистор будет насыщен при . Дальнейшее увеличение тока базы не изменяет тока в коллекторной цепи. Отношение называется степенью насыщения транзистора или коэффициентом насыщения.

Для расчета параметров транзисторных ключей необходимые данные приводятся в справочниках.

Простейшая схема транзисторного ключа имеет следующие недостатки:

- использование биполярного сигнала для управления базовой цепью, что затрудняет сопряжение однотипных ключей, так как входной сигнал биполярный, а выходной сигнал однополярный;

- низкое быстродействие, т.к. при сокращении времени включения за счет обеспечения более глубокого насыщения транзистора имеет место увеличение времени отключения, вызванное необходимостью рассасывания носителей после режима глубокого насыщения.

Для устранения этих недостатков применяют более усовершенствованные схемы ключевых каскадов.

Ключевая схема с дополнительным источником смещения.

а) б)

Рис. 3.4. Транзисторный ключ с дополнительным источником
смещения (а) и диаграмма его работы (б).

а) б)

Рис. 3.5. Транзисторный ключ с ускоряющим
конденсатором (а) и диаграмма его работы (б).

При подаче отрицательного напряжения U_ВХ транзистор входит в режим насыщения. При этом U_ВЫХ = 0, т.е. при отсутствии входного напряжения источник дополнительного смещения +Е_СМ, связанный с базой транзистора через R_СМ, обеспечивает режим отсечки (рис. 3.4б).

Для уменьшения времени переключения транзистора, применяется схема ключевого каскада с ускоряющем конденсатором (рис. 3.5а). В отличие от простейшей схемы ключа, базовый ток в момент переключения транзистора не остается постоянным и изменяется за счет переходных процессов в конденсаторе. Поэтому момент включения сопровождается большим базовым током I_б1, чем в период нахождения транзистора во включенном состоянии - I_б2. Это приводит к тому, что транзистор включается с большей степенью насыщения, чем отключается. Фронты формирования импульса круче, а значит и быстродействие ключа выше (рис. 3.5 б - пунктиром показаны диаграммы для ключа без ускоряющего конденсатора).

В ключевых каскадах даже с форсирующем конденсатором процесс включения транзистора начинается с этапа рассасывания неосновных носителей, т.к. транзистор перед этим находился в режиме насыщения. Повысить быстродействие ключевых каскадов позволяют ненасыщенные транзисторные ключи, которые работают в активном режиме, на грани насыщения. Такой режим обеспечивается включением между базовой и коллекторной цепями полупроводникового диода (ключи с диодами Шоттки), который отпирается при насыщении транзистора и ограничивает степень насыщения. Поэтому можно ограничивать напряжение U_К в открытом состоянии транзистора практически на любом уровне, в том числе и на уровне близком к напряжению насыщения.

Дата добавления: 2014-01-15