Краткие теоретические сведения. Изучение принципов работы электронного ключа на биполярном транзисторе и его основных параметров

Цель работы

Изучение принципов работы электронного ключа на биполярном транзисторе и его основных параметров.

Электронным ключом называют устройство, имеющее два состояния: открыто — сопротивление ключа минимально, выходное напряжение близко к нулю, закрыто — сопротивление ключа максимально, выходное напряжение равно напряжению источника питания (логическому уровню).

Электронные ключи предназначены для коммутации пассивных элементов цепи, источников питания и т. п. с помощью малых по мощности управляющих сигналов, а также для сопряжения уровней сигналов логических схем.

При проектировании электронных схем, содержащих ключевые элементы, необходимо решать две задачи:

1. Ключевому элементу в статическом режиме необходимо обеспечить либо замкнутое (включенное), либо разомкнутое (выключенное) состояние.

2. Ключевой элемент должен обеспечивать заданное быстродействие, т. е. время включения и отключения, которые выбирают, исходя из конкретных требований, предъявляемых к электронной схеме.

Упрощенное изображение ключевой схемы показано на рис. 6.1.

Рис. 6.1 — Упрощенная схема электронного ключа

Замкнутое состояние ключа Кл характеризуется значением сопротивления , где — сопротивление нагрузки ключа. При этом напряжение на выходе ключа близко к нулю и через ключ протекает максимальный ток

.

Разомкнутое состояние ключа характеризуется сопротивлением . При этом напряжение на выходе ключа достигает приблизительно напряжения питания и через ключ протекает минимальный ток

.

Принципиальная схема простейшего ключа на биполярном транзисторе изображена на рис. 6.2.

Рис. 6.2 — Схема ключа на биполярном транзисторе

Транзистор VT выполняет роль ключевого элемента, для которого характерны два режима работы:

— режим отсечки;

— режим насыщения.

Режим отсечки соответствует закрытому состоянию транзистора, что имеет место при и . В этом случае через транзистор протекает неуправляемый малый ток , где — коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером, и напряжение на выходе ключа .

Режим насыщения соответствует открытому состоянию транзистора, при котором ток коллектора достигает максимального значения

. (6.1)

Для создания указанного тока коллектора необходимо обеспечить ток базы

, (6.2)

Превышение тока базы над током базы насыщения не приводит к увеличению тока коллектора. Изменяется только степень насыщения транзистора, которая характеризуется коэффициентом насыщения .

Ток базы определяется сопротивлением базовой цепи и входным напряжением ключа

, (6.3)

где — падение напряжения на прямо смещенном p-n переходе, которое для кремниевых транзисторов составляет , а для германиевых — .

Таким образом, задаваясь величинами , , , можно рассчитать параметры элементов схемы насыщенного ключа для конкретного типа транзистора.

Переход транзистора из режима отсечки в режим насыщения и обратно под воздействием управляющего напряжения происходит за конечное время. Длительность переходных процессов обусловлена физическими процессами установления прямого и обратного сопротивлений p-n переходов, накопления и рассасывания накопленного заряда в области базы транзистора, а также постоянными времени входной и выходной цепей ключа.

Различают три временных интервала, характеризующих переходные процессы в транзисторном ключе (рис. 6.3).

а)   б)   в)
Рис. 6.3 — Временные диаграммы токов и напряжений на выходе ключа

На рис. 6.3 приняты следующие обозначения:

· — напряжение на входе ключа (а);

· — временная зависимость тока коллектора (б);

· — временная зависимость напряжения на коллекторе (в);

· — длительность фронта или время включения;

· — время рассасывания заряда, накопленного в базе транзистора;

· — время среза или время выключения.

Время включения определяется переходными процессами в самом транзисторе, связанными с установлением сопротивлений p-n переходов транзистора, а также постоянной времени входной цепи.

Переходной процесс установления тока коллектора происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени транзистора τ_т.

. (6.4)

Ток насыщения определяется соотношением (6.1), задаваясь которым можно рассчитать время включения транзистора .

С увеличением тока базы увеличивается коэффициент насыщения транзистора , который в транзисторных ключах обычно равен 1,5…2. Таки образом, в режиме насыщения в базе транзистора накапливается избыточный заряд, для рассасывания которого при выключении транзистора требуется некоторое время . При этом, чем больше , тем больше величина заряда, накопленного в базе, и, следовательно, тем больше время .

Повысить быстродействие ключа (уменьшить и ) можно следующими двумя способами.

Первый способ реализуется путем включения в цепь базы транзистора ускоряющую емкость (рис. 6.4).

Рис. 6.4 — Схема ключа на биполярном транзисторе с ускоряющей емкостью

При появлении на входе транзистора положительного перепада напряжения в цепи базы формируется большой импульсный ток заряда емкость , вызывающий ускорение процесса включения транзистора. При этом к моменту выключения транзистора ток базы, за счет заряда, накопленного емкостью , уменьшается до величины, определяемой соотношением (6.3). Выбирая величину немного больше , можно устранить глубокое насыщение транзистора и уменьшить время .

Второй способ увеличения быстродействия ключа заключается во введении в схему ключа нелинейной обратной связи (рис. 6.5).

Рис. 6.5 — Схема ключа на биполярном транзисторе с

нелинейной обратной связью

Поскольку в режиме насыщения транзистора его коллекторное напряжение близко к нулю, то при положительном напряжении на базе транзистора диод VD открывается и шунтирует транзистор. В результате, ток базы транзистора уменьшается по сравнению со схемой, представленной на рис. 6.2, что следует из первого закона Кирхгофа: , где — ток диода. Уменьшение тока базы обеспечивает уменьшение накопленного к ней заряда. При этом транзистор не доводится до состояния насыщения и время рассасывания неравновесного заряда базы . Ток коллектора такого ключа будет превышать ток, протекающий через сопротивление , что также следует из первого закона Кирхгофа: .

Время выключения транзистора определяется, в основном, временем зарядом паразитной емкости коллектор — база через сопротивление . Время выключения транзистора примерно равно трем постоянным времени цепи заряда емкости .

Дата добавления: 2015-05-06