Работа транзистора в ключевом режиме

Транзисторный ключ коммутирует цепь нагрузки под воздействием управляющего импульсного входного сигнала. Идеальный ключ в замкнутом состоянии имеет сопротивление R= 0, а в разомкнутом R = ∞.

В качестве электронного ключа можно использовать транзистор, работающий в области отсечки и насыщении. Схема транзисторного ключа дана на рисунке 14.

В схеме отсутствует смещение в цепи базы, так как транзистор изменяет свое состояние под действием входного сигнала и при начальном напряжении U_Г =0, напряжение на базе и ток базы равны нулю (область отсечки). При увеличении входного напряжения токи базы и коллектора увеличиваются и транзистор входит в состояние насыщения.

Рисунок 14 Схема транзисторного ключа

Эквивалентные схемы разомкнутого (область отсечки) и замкнутого ключа (область насыщения) можно представить в следующем виде рис.15 а и б соответственно:

а)

К б) К

● ●

I_КО

Б ● Б●

I_ЭО

● Э ● Э

U_K ≈ E_K; I_К ≈ I_ЭО U_K = U_KН ; I_К = I_КН≈ E_K/R_K.

Рисунок 15 Эквивалентные схемы транзисторного ключа

Зависимость тока коллектора от тока базы представлена на рисунке 16.

I_К

I_КН

I_КО

I_БА I_БН I_{Б макс} I_Б

Рисунок 16 Характеристика передачи по току транзистора

Как видно из графика, в режиме отсечки, когда оба перехода транзистора закрыты, ток коллектора постоянный и определяется потоком неосновных носителей через переход. В активной области открыт переход база – эмиттер, переход коллектор-эмиттер закрыт, ток коллектора прямо пропорционален току базы. При токе базы I_БН оба перехода транзистора открываются и транзистор входит в насыщение. Ток коллектора перестает расти и остается постоянным при дальнейшем увеличении тока базы (I_Б макс). При открывании коллекторного перехода, возникает ток, протекающий навстречу току инжекции эмиттера. В базовой области транзистора накапливается избыточный заряд.

Распределение заряда Q неосновных носителей в базе определяется величиной тока базы. На рисунке 17 представлены три режима распределения заряда: активный режим – при токе базы I_БА, граничный режим – при токе I_БН и режим насыщения, для I_Б макс.

Э Б К

2 Q_ИЗБ

Рисунок 17 Распределение заряда в базе

В активном режиме (1) заряд Q_A = τI_БА,

где τ – постоянная времени нахождения заряда в базе: τ = 1/ 2πƒ_{гранич.}

В граничном режиме (2) Q_ГР = τI_БН.

В режиме насыщения (3) Q_МАКС = τI_Б макс,

где I_Б макс, любой ток, больше I_БН.

Количество избыточного заряда, накопленного в базе в режиме насыщения

Q_ИЗБ. = Q_МАКС - Q_ГР.

Глубина насыщения измеряется степенью насыщения N:

N = I_Б/ I_БН ≈ βI_Б / I_КН,

где β - коэффициент передачи тока базы, а ток I_Б > I_БН.

В активном режиме насыщение отсутствует, в граничном режиме N =1, в режиме насыщения N > 1.

О том, как ведет себя транзисторный ключ при переходе из разомкнутого состояния в замкнутое и наоборот, можно судить по форме импульса выходного тока или напряжения.

Переход транзисторного ключа из разомкнутого состояния в замкнутое осуществляется при скачкообразном изменении тока базы от I_Б =0 до некоторого значения I_Бm, вызывая изменение тока коллектора. На рис.18,а даны временные диаграммы, поясняющие этот процесс. Временные диаграммы рисунке 18,б поясняют процесс выключения ключа, когда ток базы скачком уменьшается от значения I_Бm до нуля.

а) I_Б б) I_Б

I_Бm I_Бm

Q t Q t

Q_ГР Q _ГР

Q_МАКС

t t

I_К

I_К

I_КН I_КН

t

t_Ф t_Р t_С

Рисунок 18 Временные диаграммы

На графиках t_Ф – время фронта (включения), t_Р –время рассасывания заряда в базе при выключении ключа, t_С –время спада тока.

При подаче на базу транзистора положительного импульса тока, ток коллектора не может измениться скачком из-за инерционности носителей заряда при переходе от эмиттера через базу к коллектору. Скорость их продвижения определяется постоянной времени τ. Ток коллектора, достигнув значения тока насыщения, остается постоянным. Заряд в базе увеличивается до значения, определяемого величиной тока I_Бm.

Q_МАКС = τI_{Б m}

Увеличение заряда происходит по экспоненциальному закону:

Q (t) = Q_МАКС (1 – е ^{- t/τ}) при t= t_ф Q = Q_ГР

Подставляя эти значения в формулу, а так же учитывая, что Q_МАКС = τI_{Б m} и Q_ГР = τI_{Б Н,} получим:

τI_{Б Н} = τI_{Б m} (1 - е ^{- t}_Ф^{/ τ}).

Решая это уравнение относительно t_ф , и учитывая, что N = I_{Б m} /I_{Б Н}, получим:

t_ф= τ ln N / (N – 1).

Таким образом, для уменьшения длительности фронта, т.е. увеличения скорости включения ключа, необходимо увеличивать степень насыщения, а значит увеличивать ток I_{Б m}.

При выключении ключа происходит рассасывание заряда, который уменьшается по экспоненциальному закону (рисунок 18 б) и пока он не достиг граничного значения ток коллектора остается постоянным. Затем он начинает уменьшаться по экспоненциальному закону до нуля:

Q (t) = Q_МАКС е ^{- t/τ} при t= t_р Q = Q_ГР

Подставляя известные выражения в формулу, получим:

τI_{Б Н} = τI_{Б m} е ^{- t}_р^{/ τ}.

Решаем относительно t_р

t_Р= τ ln N и t_С= 3τ - t_Р

3τ – это время, в течение которого происходит полное рассасывание заряда (время окончания переходного процесса).

Для уменьшения времени рассасывания заряда необходимо уменьшать степень насыщения, а значит уменьшать ток I_{Б m}.

Таким образом, возникает противоречие по условиям уменьшения времени включения и выключения ключа.

Для уменьшения времени переключения ключа желательно, чтобы ток базы по форме приближался к идеальной:

I_{Б m}

I_{Б Н}

I_{Б ВЫСАС.}

Рисунок 19 Идеальная форма тока базы

Такая форма тока может быть получена при включении в базовую цепь цепочки, состоящей из емкости, которая получила название “ускоряющей” и шунтирующего ее сопротивления. Схема такого ключа представлена на рисунке 20,а, временные диаграммы, поясняющие процессы протекающие в ключе на рисунке 20,б.

Передний фронт выходного импульса формируется под действием тока включения равного I_{Б m =} U_Г/R_Г, так как во время переднего фронта сопротивление R1 зашунтировано заряжающимся конденсатором. По мере заряда конденсатора ток уменьшается и становится равным I_{Б Н}= U_Г/(R_Г+ R₁), т.е. уменьшается. Задний фронт выходного импульса формируется под действием высасывающего тока I_{Б ВЫСАС.}, который создается разрядом конденсатора.

Рисунок 20,а Ключ с ускоряющей цепью Рисунок 20,б Временные

диаграммы

Постоянная времени заряда конденсатора выбирается меньше длительности входного импульса, так как при увеличении постоянной времени конденсатора он не успеет зарядиться, ток базы будет равен I_{Б m} и это приведет к увеличению глубины насыщения транзистора, а, следовательно, к увеличению времени рассасывания и снижению быстродействия ключа.

Для уменьшения времени выключения ключа используют схемы с нелинейной обратной связью (рисунок 21).

Входной сигнал открывает транзистор, ток базы транзистора увеличивается, а, следовательно, ток коллектора так же увеличивается, напряжение на коллекторе (U_К) уменьшается.

Пока U_К> U_А диод закрыт.

U_К = Е_К - I_КR_К U_А = I_Б R_Б +U_БЭ

Когда U_К = U_А, диод открывается и через него начинает протекать ток I_ОС.

Рисунок 21 Ненасыщенный ключ

Пусть входной ток изменится на ΔI_ВХ.

Тогда ΔI_ВХ = ΔI_Б + ΔI_ОС , но ΔI_ОС = ΔI_К .

Учитывая связь между током базы и коллектора, имеем

ΔI_К = βΔI_Б. Изменение входного тока ΔI_ВХ = ΔI_Б (1+β) и

ΔI_Б = ΔI_ВХ / (1+β).

Следовательно, ток базы мало изменяется при увеличении входного сигнала, т.е. при действии обратной связи наступает стабилизация режима, и транзистор не входит в глубокое насыщение. Недостатком данной схемы является зависимость от изменения температуры.

Если в базу транзистора включить дополнительный источник Е_Б (рисунок 22), то при выключении за счет этого источника возникает «высасывающий» ток I_ВЫС., способствующий более быстрому рассасыванию зарядов из базы.

Поскольку в этом случае для открывания ключа необходимо увеличивать амплитуду входного сигнала на величину Е_Б, напряжение этого источника выбирается не более 0,5 В.

Рисунок 22 Ключ с запирающим напряжением в базе

Дата добавления: 2015-05-06