Статические характеристики транзисторного ключа
 |
Процессы в схеме проанализируем графоаналитическим методом, основанном на построении линии нагрузки по постоянному току в осях Iк – Uкэ, совмещенной с выходными характеристиками транзистора (рис. 85, б), с учетом входной характеристики (рис. 7.2, в). Линия нагрузки описывается уравнением Uкэ= Ек - IкRк и проводится так же, как и для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольтамперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.
В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях.
1. Режим запирания (режим отсечки) «ключ разомкнут». Это состояние соответствует точке Мотс на рис. 7.2, а. Ток коллектора минимальный, равный обратному току Iко обратно смещенного перехода коллектор-база, а напряжение коллектор-эмиттер Uкэ максимально близко к напряжению питания Uкэ= Ек - IкоRк в виду малости Iко.
Режим отсечки создается путем подачи на вход ключа напряжения Uвх запирающей полярности (в данном случае полярность показана на рис. 7.2, а без скобок). Под действием этого напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (Uбэ< 0) и ток эмиттера становится равным нулю Iэ= 0. Однако через резистор Rб протекает обратный ток коллекторного перехода Iко, замыкаясь по цепи: +Ек, Rк, переход коллектор-база, Rб, источник входного сигнала Uвх, -Ек. На входной характеристике (рис. 7.2, в) видно, что в этом случае ток базы становится отрицательным и равным Iко.
Ток Iко зависит от типа выбранного транзистора, поэтому одним из критериев выбора транзистора для ключевой схемы является малое значение Iко.
Величину запирающего входного напряжения Uвх зап выбирают, исходя из того, чтобы выполнялось условие
Uбэ = Uвх зап - IкоRб . (7.1)
Напряжение Uбэ для германиевых транзисторов составляет 0,5 – 2 В, для кремниевых – 2 – 5 В.
Иногда закрытое состояние транзистора создается без источника запирающего напряжения. В этом случае Uвх= 0 и ток базы Iб= 0. Такому состоянию транзистора соответствует точка МЗ на рис. 7.2, б. Величина тока, протекающего по транзистору и нагрузке Rк в этом случае возрастает и зависит от величины сопротивления резистора Rб, а также от типа транзистора и температуры.
Причина возрастания тока состоит в том, что тепловой ток транзистора, включенного по схеме ОЭ равен Iко* = (b+1) Iко, где b - коэффициент усиления транзистора. Однако Iко* - это сквозной ток транзистора при отсутствии резистора между эмиттером и базой. При включении такого резистора (в данном случае Rб) тепловой ток значительно снижается.
Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в состоянии отсечки Ротс равна
Ротс = IкоЕк.
При умеренных температурах и невысоких напряжениях Ротс мала и в расчетах может не учитываться.
2. Режим открытого состояния «ключ замкнут» создается изменением полярности входного напряжения Uвх > 0 (полярность указана в скобках на рис. 7.2, а) и заданием соответствующего тока базы Iб транзистора.
Необходимый ток базы, соответствующий открытому состоянию транзистора, найдем, постепенно увеличивая ток базы от нуля до тех пор, пока сохраняется известная пропорциональная зависимость между Iб и Iк (режим усиления)
Iк = bIб + (b+1)Iко » bIб. (7.2)
При этом рабочая точка транзистора будет перемещаться вверх по линии нагрузки из положения МЗ до положения Мо, соответствующего «полному» открытию транзистора, а ток базы будет равен граничному току Iб = Iб3 = Iб гр (рис. 7.2, б). Через транзистор и резистор Rк будет протекать ток
Iк = (Ек - DUкэ откр)/Rк, (7.3)
где DUкэ откр – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии.
Остаточное напряжение на транзисторе в схеме ключа должно быть минимальным. В зависимости от типа транзистора и уровня тока DUкэ откр лежит в пределах 0,1 – 1,5 В. Вследствие относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Ек расчет тока открытого транзистора производят по формуле
Iк = Ек/Rк. (7.4)
С учетом (7.2) граничное значение тока базы Iб гр открытого транзистора равно
Iб гр = Iк/B = Ек/(BRк), (7.5)
где B - статический коэффициент усиления транзистора для большого сигнала (при большом токе и малом напряжении B < b).
Мощность, рассеиваемая на транзисторе в статическом режиме (мощность потерь) в открытом состоянии Ро равна
Ро = Iк DUкэ откр.
Для уменьшения напряжения на открытом ключе применяют насыщенный режим работы, получаемый увеличением тока базы по сравнению с граничным
Iб нас = sIб гр, (7.6)
где s – коэффициент насыщения, выбираемый в пределах 1,3 – 3.
На рис. 7.2, б, в ток базы насыщения Iб нас = Iб4. При этом рабочая точка транзистора переместилась в точку Мнас, а напряжение на открытом транзисторе уменьшилось до величины DUкэ нас.
Представляют интерес потенциалы электродов транзистора, по которым можно судить, в каком режиме находится транзистор.
В режиме отсечки Uкэ » Ек > 0, Uбэ < 0, поэтому Uкб = Uкэ – Uбэ = Ек – Uбэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).
В активном режиме (между точками МЗ и Мо) DUкэ откр < Uкэ < Ек, DUкэ откр > Uбэ > 0, поэтому Uкб = Uкэ – Uбэ = Ек – Uбэ > 0 (см. рис. 7.2, б, в).
В граничном режиме (в точке Мо) Uкэ = DUкэ откр, Uбэ = DUкэ откр, поэтому Uкб = Uкэ – Uбэ = 0.
В режиме насыщения (в точке Мнас) Uкэ = DUкэ нас < DUкэ откр, Uбэ=Uбэ4>Uбэ3=DUкэ откр, поэтому Uкб = Uкэ – Uбэ = DUкэ нас – DUкэ откр < 0 (см. рис. 7.2, б, в).
Режим насыщения используют не только для снижения напряжения на открытом транзисторе, но и для стабилизации открытого состояния транзистора при воздействии помех во входной цепи, а также для снижения чувствительности к разбросу параметров транзисторов и изменений температуры.
Необходимый ток базы обеспечивается параметрами входной цепи транзисторного ключа
Iб = (Uвх – Uбэ нас)/Rб. (7.7)
Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 2058;