Динамические характеристики транзисторного ключа

Транзисторный ключ работает, как правило, в импульсном режиме, когда на вход поступают импульсы напряжения прямоугольной формы. При этом очень важным параметром является время переключения транзистора из одного состояния в другое.

На рис. 7.3 показаны временные диаграммы импульсов во входных и выход ных цепях транзистора при поступлении на вход транзисторного ключа импульса напряжения u_вх прямоугольной формы (рис. 7.3, а).

В интервале t₀ – t₁ на входе ключа запирающее напряжение, поэтому ток базы i_б = – I_ко (на диаграмме рис. 7.3, б показано, что i_б = 0, т.к I_ко очень мал). Поэтому ток коллектора i_к = I_ко и тоже показан нулевым на рис. 86, в. Напряжение на коллекторе u_кэ » Е_к, так как ток в цепи ключа практически отсутствует (см. рис. 7.2, б).

В момент времени t₁ входное напряжение меняет знак и становится отпирающим. Практически мгновенно появляется отпирающий ток базы i_б.вкл. Однако ток коллектора i_к из-за инерционности транзистора достигнет своего максимального значения i_к = Е_к/R_к в момент времени t₂ за некоторое время t_вкл, называемое временем включения транзистора. За этот же интервал времени напряжение на коллекторе транзистора уменьшается до величины напряжения насыщения DU_кэ.нас (см. рис. 7.3, в, а также рис. 7.2, б). Эти значения тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер сохраняются до начала следующего переходного процесса.

В момент времени t₃ входное напряжение меняет знак и становится запирающим. Под действием этого напряжения ток базы тоже меняет знак и становится равным i_б.выкл. Изменение направления тока базы связано с тем, что в базе накоплен избыточный заряд, и пока он рассасывается, переход база-эмиттер остается замкнутым накоротко. В интервале времени t₃ - t₄ (пока происходит рассасывание избыточных носителей заряда в базе) транзистор остается во включенном состоянии, поэтому ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер не меняют своих значений. Интервал времени t_рас = t₄ - t₃ называют временем рассасывания.

После окончания рассасывания начинается спад токов базы и коллектора в течение интервала времени t_сп = t₅ – t₄, называемого временем спада. В это же время напряжение на коллекторе транзистора увеличивается до Е_к.

Время выключения транзистора t_выкл является суммой времени рассасывания t_рас и времени спада t_сп.

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время рассасывания получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания через переход эмиттер-база пропускают ток, который является функцией обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5 – 7 В.

В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания составляет 50 – 200 нс, однако для многих мощных транзисторов оно достигает 10 мкс.

Мощность потерь, рассеиваемая на коллекторе транзистора, в динамическом режиме возрастает по сравнению со статическим режимом, так как в интервалах времени, когда транзистор переходит из одного состояния в другое, на нем рассеивается значительная мощность. Если считать траекторию возрастания (убывания) тока (напряжения) прямолинейной, то рассеиваемую мощность в интервалах времени t_вкл и t_сп можно рассчитать по формуле

Р_пер = 0,5I_к.максU_{кэ.макс}.

Мощность потерь, рассеиваемая на коллекторе транзистора, зависит от относительной длительности интервалов времени t_вкл и t_сп по отношению к периоду импульсов

,

где t_И, t_П и Т – время импульса, время паузы и период импульса тока коллектора; Р_о, Р_з и Р_пер – мощность, рассеиваемая на коллекторе в открытом состоянии, в закрытом состоянии и в переходном режиме.

Таким образом, с возрастанием частоты импульсов при неизменных t_вкл и t_сп мощность, рассеиваемая на транзисторе увеличивается. Это надо учитывать при выборе транзистора для ключевой схемы.